Солитон — это волновой карман заряженных электронов, расположенный между двумя различными топологическими состояниями одномерных (1-D) материалов. Он самоусиливающийся, что делает его чрезвычайно стабильным волновым карманом или импульсом, который сохраняет свою форму во время распространения, как волна цунами или способ, которым кровь перекачивается по нашему телу.
Это отличительная черта двух (2-D) и трехмерных (3-D) топологических материалов, однако их одномерный аналог никогда ранее не был найден. В проводящих полимерах, таких как полиацетилен, существуют топологические солитоны. Полиацетилен представляет собой зигзагообразную углеродную цепь, в которой каждый атом углерода связан с атомом водорода. Вдоль углеродной цепи чередуются одинарные и двойные связи между атомами углерода, что приводит к большой энергетической щели между занятыми состояниями и пустыми состояниями.
Экспериментально выяснилось, что полиацетилен проводит. Нобелевский лауреат Алан Дж. Хигер объяснил эту проводящую природу, используя доменную стенку — топологический дефект между двумя разными доменами с чередованием связей, который называется солитонами.
Движение к хиральности
Команда CALDES сообщила о новом классе солитонов, существующих на атомных проволоках индия. Атомы индия, осажденные на поверхности кремния при повышенной температуре, самоорганизуются в упорядоченный массив металлических проволок, стабилизируясь в бороздах на поверхности кремния.
Они претерпевают переход волны зарядовой плотности (ВЗП) при 125 K. Ниже перехода CDW он является изолирующим и, что важно, имеет четыре отдельных домена CDW по сравнению с двумя в полиацетилене. Команда обнаружила, что четыре домена приводят к трем различным видам солитонов вместо одного в полиацетилене. Два дополнительных солитона обладают интересным свойством, в первую очередь они заряжаются одним электроном или одной дыркой даже без легирующих примесей. Они назвали эти два солитона правокиральными и левокиральными солитонами.
Команда также сообщила, что киральные солитоны, топологические краевые состояния в одномерных атомных цепочках, связаны с киральными краевыми состояниями двумерной топологической системы квантовых холловских изоляторов. Киральные краевые состояния отвечают за проводящий канал, присутствующий на краях или поверхностях благородных двумерных и трехмерных топологических материалов, которые изолируют в объеме внутри, но являются металлическими на своих краях и поверхностях.
Команда CALDES показала, используя расширение размеров за счет эволюции адиабатической фазы, что индиевый провод можно сопоставить с двумерным квантовым холловским изолятором. Это отображение не только указывает на то, что перенос заряда киральными солитонами топологически защищен, будучи устойчивым к дефектам или возмущениям, которые не закрывают промежуток ВЗП, но также показывает, как концепция благородных двумерных материалов может быть расширена до одномерных.
Корейская исследовательская группа, выступая в своей лаборатории в Пхохане, сказала: «Хиральные солитоны, заряженные топологические дефекты в изолирующем проводе, могут быть использованы для будущих одноэлектронных устройств хранения информации, которые хранят и высвобождают электроны один за другим."Они также отметили необходимость поиска других одномерных аналогов известных двумерных благородных материалов, которые, как ожидается, будут иметь неизвестные благородные свойства.