Le descrizioni di Soliton per i polimeri conduttori poliacetilene - descrizioni basate su un tipo di onda solitaria - hanno causato grande eccitazione quando hanno fatto irruzione per la prima volta nei rapporti seminali di Su, Schrieffer, Heeger (SSH) e Kivelson oltre 30 anni fa. Come alcuni dei più semplici isolanti topologici, queste molecole stanno ora attirando un rinnovato interesse. Però, problemi di sintesi di singole molecole di poliacetilene avevano limitato questi studi solitoni a estrapolazioni di caratteristiche solitoniche da medie su un gran numero di molecole che portano solitoni, che è abbastanza indiretto. I rapporti di sintesi e caratterizzazione di singoli fili molecolari di poliacetilene nel 2019 hanno cambiato questa situazione. Ora, calcoli effettuati da ricercatori in Germania e negli Stati Uniti hanno identificato come si comportano i solitoni in questi singoli filamenti molecolari, indicando un livello di controllo solitonico, "solitonico", che potrebbe essere utile per dispositivi elettronici e sensori.

I solitoni si verificano dove gli effetti non lineari e disperdenti si annullano in modo che un pacchetto d'onda solitario si auto-rinforza. Hanno una serie di caratteristiche delle particelle nel modo in cui mantengono una forma costante ed emergono invariate dalle collisioni. Nelle guide d'onda ottiche, il contributo non lineare è proporzionale all'intensità, producendo l'auto-focalizzazione dell'onda in modo che l'onda attraversi lo spazio e il tempo invariata. Però, la caratteristica del solitone autoconservante può anche essere associata a un cambiamento nell'ordine dei legami come un nodo o un muro di dominio. I solitoni emergono nelle descrizioni dei fili molecolari di poliacetilene a causa dei diversi domini che questi fili possono avere.

Le molecole di poliacetilene si alternano tra legami singoli e doppi lungo la catena, e l'ordine di questi tipi di legame definisce diversi domini. Il solitone è un modo per descrivere la parete del dominio tra le sezioni della catena che hanno un ordinamento diverso. Il muro del dominio può muoversi ma la sua forma rimane la stessa. È anche molto leggero, circa sei volte la massa dell'elettrone, eppure può distorcere il reticolo e spostare i nuclei più pesanti mentre si increspa.

I ricercatori guidati da Daniel Hernangómez-Pérez e Ferdinand Evers dell'Università di Regensburg in Germania, in collaborazione con ricercatori della Columbia University negli Stati Uniti, calcoli della teoria del funzionale della densità applicati al poliacetilene per vedere come si comportano questi solitoni nei singoli fili. "Una delle nostre motivazioni principali è capire che tipo di proprietà topologiche si possono osservare a livello di singola molecola in scenari realistici, " spiega Hernangómez-Pérez.

L'elettronica incontra la solitonica

Hanno scoperto che era possibile controllare la posizione del solitone attraverso le entità chimiche alle due estremità della catena molecolare. Il solitone può essere caricato senza spin o senza carica ma con uno spin di metà. Per solitoni carichi, i ricercatori mostrano che l'applicazione di un campo elettrico può manipolare ulteriormente la posizione del solitone sulla catena molecolare, che possono essere osservati attraverso misurazioni di polarizzazione o cambiamenti di conduttanza. La conduttanza cambia esponenzialmente quando il solitone si sposta verso il bordo, che, come suggerisce Hernangómez-Pérez, fornisce una sensibilità che potrebbe essere utile per rilevare i campi elettrici.

Un risultato forse inaspettato si verifica quando il solitone ha raggiunto un'estremità della catena e il campo aumenta ulteriormente. Invece di una sorta di rottura dielettrica, si forma un'ulteriore coppia solitone-antisolitone, rilasciando energia elettrostatica.

Ulteriore potenziale solitonico

Sebbene i ricercatori abbiano già dimostrato che è possibile sintetizzare singoli fili molecolari di poliacetilene abbastanza lunghi da ospitare solitoni, restano altre sfide. Dovranno stabilire un modo per garantire che il filo mantenga la carica in eccesso per un solitone carico, nonché come collegare chimicamente i gruppi terminali chimici giusti e sottoporre il solitone a campi elettrici nel piano. Però, Hernangómez-Pérez non vede nessuno di questi problemi insormontabile. Ad esempio, il campo in piano potrebbe essere fornito da adatomi metallici depositati con un microscopio a scansione di campo vicino.

Quanto alla sua linea di ricerca futura, Hernangómez-Pérez elenca una serie di questioni teoriche in sospeso da affrontare:"Ci sono diverse possibilità:(i) comprendere il ruolo del substrato e il possibile disadattamento reticolare tra il substrato e la catena del poliacetilene; (ii) indagare utilizzando strumenti teorici come densità- teoria funzionale dell'accoppiamento inter-catena o come la creazione di solitoni su una catena potrebbe influenzare le catene vicine; (iii) indagare teoricamente sulla formazione della parete del dominio in molecole simili a base di carbonio".

Finora, i calcoli dei ricercatori non si estendono al comportamento di un solitone di poliacetilene a carica zero che trasporta spin, ma si aspettano che dovrebbe essere possibile manipolare questo con un gradiente di campo magnetico. "In linea di principio, si potrebbe pensare alle correnti di spin lungo il filo allo stesso modo delle correnti elettriche, " suggerisce Hernangómez-Pérez. "Ma è molto prematuro parlare di qualsiasi impatto di questo per la spintronica".

© 2020 Scienza X Rete