Ученые открыли кое-что новое об экзотических частицах, называемых солитонами.
С 1980-х годов ученые знали, что солитоны могут нести электрический заряд при прохождении через определенные органические полимеры. Новое исследование предполагает, что солитоны имеют сложную внутреннюю структуру.
Ученые могут однажды использовать эту информацию, чтобы заставить частицы работать в молекулярной электронике и искусственных мышцах, сказал Джу Ли, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Университете штата Огайо.
Ли объяснил, что каждый солитон состоит из электрона, окруженного другими частицами, называемыми фононами. Так же, как фотон является частицей световой энергии, фонон является частицей колебательной энергии.
Новое исследование предполагает, что электрон внутри солитона может достигать различных энергетических состояний, точно так же, как электрон в атоме водорода.
«Хотя мы знаем, что такие внутренние электронные структуры существуют во всех атомах, это первый раз, когда кто-либо показал, что такие структуры существуют в солитоне», - сказал Ли.
Квантово-механические свойства солитона, включая эти недавно открытые энергетические состояния, важны, поскольку они влияют на то, как частица переносит заряд через органические материалы, такие как проводящие полимеры, на молекулярном уровне.
"Эти дополнительные электронные состояния будут иметь эффект - мы просто не знаем прямо сейчас, будет ли это к лучшему или к худшему", - сказал он.
Ли и его давние сотрудники из Массачусетского технологического института опубликовали свои выводы в недавнем выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Название «солитон» является сокращением от «уединенная волна». Хотя ученые часто рассматривают такие частицы, как электроны, как волны, с солитонными волнами дело обстоит иначе. Обычные электронные волны распространяются и уменьшаются со временем, а солитонные волны - нет.
«Это похоже на рябь на воде - она быстро распространяется и исчезает», - сказал Ли. "Но солитон - странный объект. Однажды сделанный, он сохраняет свой характер в течение долгого времени."
В волоконной оптике нормальные световые волны постепенно сглаживаются; если сигнал периодически не усиливается, он исчезает. Напротив, солитонные световые волны сохраняют свою структуру и продолжают двигаться без посторонней помощи. Некоторые телекоммуникационные компании использовали этот факт, используя солитоны для дешевой передачи сигналов на большие расстояния.
Прежде чем солитоны можно будет в полной мере использовать в более широком диапазоне приложений, ученые должны больше узнать об их основных свойствах, сказал Ли. Его особенно интересует, как солитоны несут заряд через проводящие полимеры, состоящие из длинных тонких цепочек молекул.
Крошечные цепи практически одномерны, и это вызывает некоторые странные законы физики, сказал Ли.
В своей статье PNAS Ли и его коллеги из Массачусетского технологического института Си Лин, Клеменс Фёрст и Сидни Йип описывают подробный расчет того, что происходит с солитонами на квантово-механическом уровне, когда они движутся по цепи органического полимера полиацетилена.
Их математическая модель основана на модели 1979 года, называемой моделью Су-Шриффера-Хегера (SSH). Алан Хигер, физик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, открывший солитоны, получил Нобелевскую премию в 2000 году за новаторскую работу по исследованию проводящих полимеров.
Ли сказал, что новая работа расширяет модель SSH, включая полную гибкость полимерной цепи, а также взаимодействия между электронами.
Находка, вероятно, повлияет на развитие молекулярной электроники - устройств, построенных из отдельных молекул.
Поскольку полимерные цепи имеют тенденцию изгибаться и скручиваться, когда через них проходят солитоны, ученые задались вопросом, можно ли использовать солитоны для приведения в действие искусственных мышц для высокотехнологичных роботов и устройств, способствующих мобильности человека. Такие мышцы должны быть сделаны из органических полимеров и сгибаться в ответ на свет или электрохимическую стимуляцию.
«Если полностью понять, солитоны также могут быть использованы для управления молекулярными двигателями в нанотехнологиях», - сказал Ли.