Движением топологических дефектов в кристаллических структурах, которые образуются из ионов в ионных ловушках, можно управлять, изменяя амплитуду внешнего воздействия. Такой эффект группа физиков из Германии и Франции продемонстрировала на зигзагообразных ионных цепочках, состоящих из 34 ионов магния. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.

Топологические дефекты в кристалле — области периодической кристаллической структуры, на которых происходит нарушение симметрии кристалла и одна топологическая фаза сменяется на другую. В трехмерных кристаллах топологическими дефектами являются, например, дислокации (при нарушении симметрии самого кристалла) или скирмионы (при нарушении магнитной симметрии). Топологический дефект может двигаться по кристаллу, формируя солитон — единичную устойчивую волну. Для упорядоченных структур с низкой размерностью и небольшим объемом управление солитонами может оказаться полезным, например, для изменения конфигураций в молекулярных машинах или транспорта ионов через мембранные каналы.

В своей работе группа физиков из Германии исследовала кулоновский кристалл, состоящий из 34 ионов Mg+. Такой кристалл представляет из себя квазиодномерную зигзагообразную цепочку, которая имеет две эквивалентных зеркальных конфигурации. Этот кристалл ученые фиксировали в вакуумной ионной ловушке с помощью лазерного охлаждения. При этом конфигурацией цепочки можно управлять, изменяя параметры охлаждающего лазерного пучка, а за ее состоянием наблюдать с помощью флуоресцентной спектроскопии.

Кроме того, ученые смогли показать, что если в одной половине кристалла стабилизировать одну из возможных конфигураций, а в другой — вторую, то образуется структура, в середине которой находится «излом» — топологический дефект, на котором происходит смена конформации.

Схематическое изображение зигзагообразного кулоновского кристалла с топологических дефектом. J. Brox et al./ Physical Review Letters, 2017

Оказалось, что таким топологическим дефектом в кулоновской цепочке можно управлять, изменяя амплитуду облучения, которое удерживает кристалл в ионной ловушке. Чтобы показать это, исследователи провели следующий эксперимент. Сначала из облака ионов вокруг кулоновского кристалла в цепочку вводился один дополнительный ион, что приводило к формированию в нем топологического дефекта. С помощью флуоресцентной спектроскопии физики убеждались, что дефект в кристалле действительно присутствует. Затем с помощью слабого периодического воздействия дефект возбуждался и приводился в движение, после чего регистрировался его отклик на внешнее воздействие.

Сигнал флуоресценции кулоновского кристалла при распространения по нему топологического дефекта. J. Brox et al./ Physical Review Letters, 2017

Ученым удалось показать, что изменяя параметры внешнего возбуждения, можно направлять дефект к одному из краев такого квазиодномерного кристалла. При этом скорость распространения зависит от топологического заряда солитона. По словам физиков, распространение солитона — результат термической активации. Изменяя амплитуду возбуждения, исследователи меняли эффективную температуру солитона, заставляя его распространяться по кристаллу. Интересно, что вероятность начала движения вправо и влево для дефекта тоже зависит от амплитуды возбуждения, поэтому изменяя интенсивность облучения, можно управлять и направлением движения солитона.

Ученые утверждают, что полученные ими результаты не только будут использоваться для управления упорядоченными системами ионов в ионных ловушках, но и помогут улучшить системы передачи энергии в других системах низкой размерности.

Распространение дефектов различных типов в трехмерных кристаллических структурах определяют множество их свойств. В частности, движение дефектов, которое сейчас уже удается смоделировать на компьютере, приводит к формированию механизмов пластичности. Подобный механизм определяет возможность формирования и разрушения сложных квазикристаллических структур. А возможное распространение дефектов без трения приводит к формированию сверхтекучести в твердом теле.

Автор: Александр Дубов