Ученые Томского политехнического университета, совместно с коллегами из научных центров США, Китая и Германии обнаружили необычную самоорганизацию атомов в объеме наночастиц и научились управлять ею с помощью электрического поля. Такие «управляемые» наночастицы могут быть использованы при создании емкой энергонезависимой памяти, квантовых компьютеров и другой электроники будущего.

Исследование ученых опубликовано в журнале Nature Commnucations, главным автором работы стал инженер кафедры общей физики Томского политехнического университета Дмитрий Карпов.

Он поясняет, что в современном материаловедении дефекты разделяют на две большие группы. В первую входят классические, хорошо изученные. В этом случае в материале нарушен порядок атомов: то есть в его кристаллической решетке убраны или, наоборот, вставлены лишние атомы. Во второй группе дефектов нет никаких выраженных изменений — вместо этого меняется сама пространственная организация решетки и такие дефекты называют топологическими.

Топологические дефекты могут сильно влиять на материал и придавать ему такие необычные свойства как сверхтекучесть или сверхпроводимость. Поэтому их изучение очень важно с практической точки зрения. Такие дефекты существуют только в материалах малой размерности. Например, в двумерных наностержнях и нанопленках (слоях толщиной в несколько атомов) и одномерных наноточках или материалах с высоким отношениям площади поверхности к объему вещества (наночастицах — сферических частицах из нескольких десятков или сотен одинаковых атомов).

Один из важных топологических дефектов — это топологический вихрь.

«Наши результаты показывают, что в наночастицах наблюдается небольшое смещение всех атомов, которое при отдаленном взгляде имеет выраженное закручивание. Оно 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», — поясняет участник исследования, профессор Лос-Аламосской Национальной Лаборатории и Государственного Университета Нью-Мексико Эдвин Фотун.

В эксперименте физики изучали наночастицы титаната бария, внутренняя структура которых 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.

Таким образом, пришли к выводу ученые, с помощью электрического поля можно управлять топологическими вихрями в наночастицах. Это открытие окажется важным и полезным при создании новой электроники.

Авторы статьи отмечают, 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. Один из способов обойти эти ограничения — использовать топологические вихри. 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 синхротронного излучения на материалах малой размерности позволит нам лучше понять механизмы управления и воссоздания различных топологических дефектов. Тогда уже задачей инженеров станет исхитриться и использовать полученные знания, чтобы решить самые насущные проблемы будущей электроники», — добавляет Дмитрий Карпов.