Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) вместе с коллегами из США, Китая и Германии увидели необычную самоорганизацию атомов в объеме наночастиц и научились управлять ею с помощью электрического поля. Подобные «управляемые» наночастицы могут пригодиться для создания емкой энергонезависимой памяти, квантовых компьютеров и другой электроники будущего.

«Наши результаты показывают, что в наночастицах наблюдается небольшое смещение всех атомов, которое при отдаленном взгляде имеет выраженное закручивание и называется топологическим вихрем. При этом ядро этого вихря представляет собой наностержень, который может быть как смещен полем, так и стерт и снова восстановлен внутри наночастиц», — приводит пресс-релиз слова одного из участников исследования, профессора Лос-Аламосской Национальной Лаборатории и Государственного Университета Нью-Мексико Эдвина Фотун.

Исследование ученых опубликовано в журнале Nature Commnucations, а первым автором работы стал инженер кафедры общей физики ТПУ Дмитрий Карпов.

В современном материаловедении дефекты вещества разделяют на две большие группы. В первую группу входят классические, хорошо изученные дефекты, при которых механически нарушен порядок атомов в веществе: то есть в кристаллической решетке вещества убраны или, наоборот, вставлены лишние атомы. В другом же классе дефектов нет никаких выраженных локальных изменений — вместо этого меняется сама пространственная организация решетки и такие дефекты называют топологическими.

Топологические дефекты могут сильно влиять на вещество и придавать ему такие необычные свойства, как сверхтекучесть или сверхпроводимость и поэтому их изучение очень важно для практических целей материаловедения. При этом топологические дефекты существуют только в материалах малой размерности: двумерных наностержнях и нанопленках (слоях толщиной в несколько атомов) и одномерных наноточках или материалах с высоким отношениям площади поверхности к объему вещества (наночастицах — сферических частиц из нескольких десятков или сотен одинаковых атомов). Один из важных топологических дефектов — это топологический вихрь.

В эксперименте ученые изучали наночастицы титаната бария, внутренняя структура была визуализирована с помощью проникающего рентгеновского излучения синхротронного источника Advanced Photon Source (Чикаго, США). Ученые получили изображение объема наночастиц с разрешением в 18 нанометров, что позволило проанализировать малейшие изменения в структуре. В результате исследователи показали, что под воздействием внешнего электрического поля смещается ядро топологического вихря внутри наночастицы, а при снятии поля оно возвращается на прежнее место.

Найденная учеными возможность управления и регулировки топологический вихрей в наночастицах важна для создания новой электроники. Дело в том, что современные компоненты электроники становятся все меньше и постепенно достигают своего минимального предела по размеру, ниже которого эффективность устройств будет ощутимо снижаться из-за различных квантовых эффектов. Есть несколько возможных способов обойти эти ограничения и один из них — это использование топологических вихрей. Например, на их основе может быть создана энергонезависимая память с большой плотностью записи информации или квантовые компьютеры, в которых информация будет зашифрована в характеристиках топологических вихрей.

«Дальнейшие исследования с использованием дифракции синхротронного излучения на материалах малой размерности позволит лучше понять механизмы управления и воссоздания различных топологических дефектов. Тогда уже работой инженеров станет исхитриться и использовать полученные знания, чтобы решить самые насущные проблемы будущей электроники».