Las descripciones de soliton para los polímeros conductores de poliacetileno (descripciones basadas en un tipo de onda solitaria) causaron gran entusiasmo cuando aparecieron por primera vez en los informes seminales de Su, Schrieffer, Heeger (SSH) y Kivelson hace más de 30 años. Como algunos de los aislantes topológicos más simples, estas moléculas están atrayendo ahora un interés renovado. Sin embargo, los problemas para sintetizar moléculas individuales de poliacetileno habían limitado estos estudios de solitones a extrapolaciones de las características de los solitones a partir de promedios sobre un gran número de moléculas portadoras de solitones, que es bastante indirecto. Los informes de síntesis y caracterización de alambres moleculares de poliacetileno individuales en 2019 cambiaron esto. Ahora, Los cálculos de investigadores en Alemania y los EE. UU. han identificado cómo se comportan los solitones en estas hebras moleculares únicas, apuntando a un nivel de control de solitones - "solitónicos" - que podría ser útil para dispositivos electrónicos y sensores.

Los solitones ocurren donde los efectos dispersivos y no lineales se cancelan, de modo que un paquete de ondas solitario se refuerza a sí mismo. Tienen una serie de características de partículas en la forma en que mantienen una forma constante y emergen de las colisiones sin cambios. En guías de ondas ópticas, la contribución no lineal es proporcional a la intensidad, produciendo una onda autoenfocada para que la onda pase a través del espacio y el tiempo sin cambios. Sin embargo, la característica de solitón de autoconservación también se puede asociar con un cambio en el orden de enlace, como una torcedura o una pared de dominio. Los solitones emergen en las descripciones de los alambres moleculares de poliacetileno debido a los diferentes dominios que pueden tener estos alambres.

Las moléculas de poliacetileno alternan entre enlaces simples y dobles a lo largo de la cadena, y el orden de estos tipos de enlaces define diferentes dominios. El solitón es una forma de describir la pared de dominio entre las secciones de la cadena que tienen un orden diferente. El muro del dominio puede moverse pero su forma sigue siendo la misma. También es muy ligero, alrededor de seis veces la masa de un electrón, pero puede distorsionar la red y mover núcleos más pesados ​​a medida que se ondula.

Los investigadores dirigidos por Daniel Hernangómez-Pérez y Ferdinand Evers en la Universidad de Regensburg en Alemania, en colaboración con investigadores de la Universidad de Columbia en EE. UU., aplicamos cálculos de la teoría funcional de la densidad al poliacetileno para ver cómo se comportan estos solitones en cables individuales. "Una de nuestras principales motivaciones es comprender qué tipo de propiedades topológicas se pueden observar a nivel de una sola molécula en escenarios realistas, "explica Hernangómez-Pérez.

La electrónica se encuentra con la solitónica

Descubrieron que era posible controlar la posición del solitón a través de las entidades químicas en cada extremo de la cadena molecular. El solitón se puede cargar sin giro o sin carga, pero con un giro de la mitad. Para solitones cargados, los investigadores muestran que la aplicación de un campo eléctrico puede manipular aún más la posición del solitón en la cadena molecular, que se puede observar a través de medidas de polarización o cambios en la conductancia. La conductancia cambia exponencialmente cuando el solitón se mueve hacia el borde, que como sugiere Hernangómez-Pérez proporciona una sensibilidad que podría ser útil para detectar campos eléctricos.

Un resultado quizás inesperado ocurre cuando el solitón ha alcanzado un extremo de la cadena y el campo aumenta aún más. En lugar de una especie de avería dieléctrica, se forma un par adicional de solitón-antisolitón, liberando energía electrostática.

Mayor potencial solitónico

Aunque los investigadores ya han demostrado que es posible sintetizar cables moleculares de poliacetileno individuales lo suficientemente largos como para albergar solitones, quedan otros desafíos. Deberán establecer una forma de garantizar que el cable retenga el exceso de carga para un solitón cargado, así como también cómo unir químicamente los grupos finales químicos correctos y someter el solitón a campos eléctricos en el plano. Sin embargo, Hernangómez-Pérez no ve ninguno de estos temas como insuperable. Por ejemplo, el campo en el plano podría ser proporcionado por adatoms metálicos depositados con un microscopio de campo cercano de barrido.

En cuanto a su propia línea de investigación futura, Hernangómez-Pérez enumera una serie de cuestiones teóricas pendientes a abordar:"Hay varias posibilidades:(i) comprender el papel del sustrato y el posible desajuste de celosía entre el sustrato y la cadena de poliacetileno; (ii) investigar utilizando herramientas teóricas como la densidad- la teoría funcional del acoplamiento entre cadenas o cómo la creación de solitones en una cadena podría afectar a las cadenas vecinas; (iii) investigar teóricamente la formación de paredes de dominio en moléculas similares basadas en carbono ".

Hasta aquí, Los cálculos de los investigadores no se extienden al comportamiento de un solitón de poliacetileno de carga cero que transporta espín, pero esperan que sea posible manipular esto con un gradiente de campo magnético. "En principio, uno podría pensar en las corrientes de giro a lo largo del cable de la misma manera que las corrientes eléctricas, ", sugiere Hernangómez-Pérez." Pero es muy prematuro hablar de algún impacto de esto para la espintrónica ".

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