Les descriptions de solitons pour les polymères conducteurs polyacétylène - des descriptions basées sur un type d'onde solitaire - ont suscité une grande excitation lorsqu'elles ont été publiées pour la première fois dans les rapports fondateurs de Su, Schrieffer, Heeger (SSH) et Kivelson il y a plus de 30 ans. En tant que certains des isolants topologiques les plus simples, ces molécules suscitent aujourd'hui un regain d'intérêt. Cependant, les problèmes de synthèse de molécules uniques de polyacétylène avaient limité ces études de solitons à des extrapolations des caractéristiques des solitons à partir de moyennes sur un grand nombre de molécules portant des solitons, ce qui est assez indirect. Les rapports de synthèse et de caractérisation de fils moléculaires en polyacétylène uniques en 2019 ont changé cela. Maintenant, des calculs effectués par des chercheurs en Allemagne et aux États-Unis ont identifié le comportement des solitons de ces simples brins moléculaires, indiquant un niveau de contrôle des solitons - "solitoniques" - qui pourrait être utile aux appareils électroniques et aux capteurs.

Les solitons se produisent là où les effets non linéaires et dispersifs s'annulent, de sorte qu'un paquet d'ondes solitaires s'auto-renforce. Ils ont un certain nombre de caractéristiques de particules dans la façon dont ils maintiennent une forme constante et sortent inchangés des collisions. Dans les guides d'ondes optiques, la contribution non linéaire est proportionnelle à l'intensité, produisant une auto-focalisation de l'onde de sorte que l'onde traverse l'espace et le temps sans changement. Cependant, la caractéristique soliton auto-conservée peut également être associée à un changement d'ordre de liaison tel qu'un pli ou une paroi de domaine. Les solitons émergent dans les descriptions des fils moléculaires de polyacétylène en raison des différents domaines que ces fils peuvent avoir.

Les molécules de polyacétylène alternent entre des liaisons simples et doubles le long de la chaîne, et l'ordre de ces types de liaison définit différents domaines. Le soliton est une façon de décrire la paroi du domaine entre les sections de la chaîne qui ont un ordre différent. La paroi du domaine peut bouger mais sa forme reste la même. Il est également très léger - environ six fois la masse d'électrons - mais il peut déformer le réseau et déplacer des noyaux plus lourds lorsqu'il se propage.

Les chercheurs dirigés par Daniel Hernangómez-Pérez et Ferdinand Evers à l'Université de Ratisbonne en Allemagne, en collaboration avec des chercheurs de l'Université Columbia aux États-Unis, appliqué des calculs de théorie fonctionnelle de la densité au polyacétylène pour voir comment ces solitons se comportent dans des fils simples. "L'une de nos principales motivations est de comprendre quel type de propriétés topologiques peut être observée au niveau d'une molécule unique dans des scénarios réalistes, " explique Hernangómez-Pérez.

L'électronique rencontre la solitonique

Ils ont découvert qu'il était possible de contrôler la position du soliton à travers les entités chimiques à chaque extrémité de la chaîne moléculaire. Le soliton peut être chargé sans rotation ou sans frais mais avec une rotation de moitié. Pour les solitons chargés, les chercheurs montrent que l'application d'un champ électrique peut manipuler davantage la position du soliton sur la chaîne moléculaire, qui peut être observé par des mesures de polarisation ou des changements de conductance. La conductance change de façon exponentielle lorsque le soliton se déplace vers le bord, qui, comme le suggère Hernangómez-Pérez, fournit une sensibilité qui pourrait être utile pour détecter les champs électriques.

Un résultat peut-être inattendu se produit lorsque le soliton a atteint une extrémité de la chaîne et que le champ augmente davantage. Au lieu d'une sorte de claquage diélectrique, un couple soliton-antisoliton supplémentaire se forme, libérant de l'énergie électrostatique.

Potentiel solitonique supplémentaire

Bien que les chercheurs aient déjà montré qu'il est possible de synthétiser des fils moléculaires uniques en polyacétylène suffisamment longs pour abriter des solitons, d'autres défis demeurent. Ils devront établir un moyen de s'assurer que le fil conserve la charge excédentaire pour un soliton chargé, ainsi que comment attacher chimiquement les bons groupes chimiques terminaux et soumettre le soliton à des champs électriques dans le plan. Cependant, Hernangómez-Pérez ne considère aucun de ces problèmes comme insurmontable. Par exemple, le champ dans le plan pourrait être fourni par des adatomes métalliques déposés avec un microscope à balayage en champ proche.

Quant à sa propre ligne de recherche future, Hernangómez-Pérez énumère un certain nombre de problèmes théoriques en suspens à résoudre :« Il existe plusieurs possibilités :(i) comprendre le rôle du substrat et un éventuel décalage de réseau entre le substrat et la chaîne polyacétylène ; (ii) étudier à l'aide d'outils théoriques tels que la densité- théorie fonctionnelle du couplage inter-chaînes ou comment la création de solitons sur une chaîne pourrait affecter les chaînes voisines ; (iii) étudier théoriquement la formation de paroi de domaine dans des molécules similaires à base de carbone."

Jusque là, les calculs des chercheurs ne s'étendent pas au comportement d'un soliton de polyacétylène à charge nulle qui transporte le spin, mais ils s'attendent à ce qu'il soit possible de manipuler cela avec un gradient de champ magnétique. "En principe, on pourrait penser aux courants de spin le long du fil de la même manière que les courants électriques, " suggère Hernangómez-Pérez. "Mais il est très prématuré de parler de tout impact de cela pour la spintronique."

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