Киральность, свойство, описывающее системы, которые отличаются от их зеркальных изображений, является одним из самых интригующих фундаментальных явлений в природе. Само слово “киральность” происходящее от др.-греч. «рука», отражает суть этого явления, указывая на невозможность совместить правую и левую ладони. Цветки подсолнечника, морские ракушки, молекулы ДНК, всё это примеры киральных систем, встречающихся в природе. Даже наша Вселенная, согласно представлениям современной науки, может быть несимметрична относительно замены правого на левое. Материалы, состоящие из киральных молекул, находят широкое применение в различных областях - от нелинейной оптики до биологии и фармацевтики. киральные структуры образуют основу для нового поколения искусственных киральных наноматериалов, создаваемых на основе магнитных соединений, жидких кристаллов, и углеродных нанотрубок. Однако киральность обычно является неизменным врожденным свойством данного материала.

Коллектив кафедры нанотехнологии Южного Федерального Университета, под руководством к.ф.-м.н. Анны Разумной, состоящий из молодых исследователей Юрия Тихонова и Максима Павленко а также профессора Игоря Лукьянчука, в сотрудничестве с исследователем к.ф.-м.н. Светланой Кондович из фармацевтической компании Life Chemicals Inc, группой ученых из Аргонской Национальной Лаборатории, возглавляемой доктором Валерием Винокуром, и другими исследователями из Франции и США, впервые показал возможность переключения киральности в наноситемах. Для этого используются особые материалы, сегнетоэлектрики, свойства которых традиционно исследуются Ростовскими физиками. Сегнетоэлектрики обладают уникальным свойством сохранять электрическую поляризацию которая может переключаться внешним электрическим полем.

Суть открытия состоит в том, что поляризация в сегнетоэлектрической частице, изготовленной в форме нанотаблетки, образует необычную структуру, скирмион, распределение полей в которой можно представить себе, как своеобразный фонтан поляризации закручивающийся по- или против часовой стрелки обусловливая киральность системы. Сами скирмионы были предсказаны в 60-х годах XX века в физике элементарных частиц как топологические образования, обладающие необычайной устойчивостью. Именно эта устойчивость позволила предложить использовать скирмионы, также обнаруженные в магнитных системах, как носители информации в компьютерах будущего. Вообще говоря, возможно четыре состояния киральных скирмионов, которые могут соответствовать четырем битам информации. Эти состояния характеризуются как киральностью, так и направлениям поляризации в центре скирмиона и их удобнее представлять, как различные положения правой и левой ладони с различными направлениями большого пальца (смотри рисунок).

Рис. 1. a. Различные состояния киральных скирмионов можно представить себе при помощи пальцев правой и левой ладони. Направление большого пальца, вверх или вниз, соответствует поляризации в центре скирмиона, а направление остальных загнутых пальцев по- или против часовой стрелки, указывает на вращение поляризации в экваториальной части скирмиона. б. Переключение между этими состояниями осуществляется мгновенными импульсами электрического напряжения, приложенного к пластинам конденсатора. © Светлана Кондович, Life Chemicals Inc.

Особенностью сегнетоэлектрических скирмионов является то, что, будучи помещенными в конденсатор, они взаимодействуют с электрическим полем и могут невероятно быстро переключаться электрическим импульсом. Научный коллектив показал, что правильно подобранный набор импульсов позволяет реализовать различные последовательности состояний в таких структурах. Более того, было обнаружено что динамика переключения вовлекает ряд других промежуточных состояний и удивительным образом похожа на процесс деления клетки (см. видео). Это позволит применять сегнетоэлектрические ячейки для симулирования биологических процессов и, в частности, для создания так называемых нейроморфных компьютеров, имитирующих человеческий мозг. Для численных расчетов использовалась программа “Феррет” созданная в Аргонской Национальной Лаборатории, в которой авторы исследования исправили ряд ошибок и модифицировали код для рассмотрения скирмионов. Предложенный учеными метод, открывает беспрецедентные возможности для принципиально новых информационных технологий, а также для создания нового поколения перестраиваемых оптоэлектронных систем, основанных на управляемой киральности.

Видео: Переключение между различными состояниями скирмиона напоминает деление клетки и может использоваться в так называемых нейроморфных компьютерах будущего. © Юрий Тихонов, Анна Разумная, Южный Федеральный Университет

Совместное исследование международной группы учёных, опубликовано в журнале Scientific Reports группы NATURE.