Atomic Scale Control and Visualization of Topological Quantum Phase Transition in π-Conjugated Polymers Driven by Their Length

. 2021 Nov ; 33 (44) : e2104495. [epub] 20210918

Status PubMed-not-MEDLINE Jazyk angličtina Země Německo Médium print-electronic

Typ dokumentu časopisecké články

Perzistentní odkaz   https://www.medvik.cz/link/pmid34536048

Grantová podpora
GACR 20-13692X Praemium Academie of the Academy of Science of the Czech Republic
Y2018/NMT-4783 Comunidad de Madrid
#PID2019-108532GB-I00 Ministerio de Ciencia e Innovación
SEV-2016-0686 Severo Ochoa Programme for Centers of Excellence in R&D
grant SEV-2016-0686 Ministerio de Economía, Industria y Competitividad, Gobierno de España

Quantum phase transitions (QPTs) driven by quantum fluctuations are transitions between distinct quantum phases of matter. At present, they are poorly understood and not readily controlled. Here, scanning tunneling microscopy (STM) and noncontact atomic force microscopy (nc-AFM) are used to explore atomic scale control over quantum phase transitions between two different topological quantum states of a well-defined π-conjugated polymer. The phase transition is driven by a pseudo Jahn-Teller effect that is activated above a certain polymer chain length. In addition, theoretical calculations indicate the presence of long-lasting coherent fluctuations between the polymer's two quantum phases near the phase transition, at finite temperature. This work thus presents a new way of exploring atomic-scale control over QPTs and indicates that emerging quantum criticality in the vicinity of a QPT can give rise to new states of organic matter.

Zobrazit více v PubMed

S. Singh, W. J. Jones, W. Siebrand, B. P. Stoicheff, W. G. Schneider, J. Chem. Phys. 1965, 42, 330.

J. A. Hertz, Phys. Rev. B 1976, 14, 1165.

H. v. Löhneysen, T. Pietrus, G. Portisch, H. G. Schlager, A. Schröder, M. Sieck, T. Trappmann, Phys. Rev. Lett. 1994, 72, 3262.

S. A. Grigera, Science 2001, 294, 329.

P. Coleman, A. J. Schofield, Nature 2005, 433, 226.

S. Sachdev, B. Keimer, Phys. Today 2011, 64, 29.

R. B. Laughlin, G. G. Lonzarich, P. Monthoux, D. Pines, Adv. Phys. 2001, 50, 361.

S. Sachdev, Phys. World 1999, 12, 33.

M. Vojta, Rep. Prog. Phys. 2003, 66, 2069.

Q. Si, S. Rabello, K. Ingersent, J. L. Smith, Nature 2001, 413, 804.

P. Gegenwart, Q. Si, F. Steglich, Nat. Phys. 2008, 4, 186.

D. M. Broun, Nat. Phys. 2008, 4, 170.

S. Nakatsuji, K. Kuga, Y. Machida, T. Tayama, T. Sakakibara, Y. Karaki, H. Ishimoto, S. Yonezawa, Y. Maeno, E. Pearson, G. G. Lonzarich, L. Balicas, H. Lee, Z. Fisk, Nat. Phys. 2008, 4, 603.

M. P. Allan, F. Massee, D. K. Morr, J. Van Dyke, A. W. Rost, A. P. Mackenzie, C. Petrovic, J. C. Davis, Nat. Phys. 2013, 9, 468.

B. B. Zhou, S. Misra, E. H. da Silva Neto, P. Aynajian, R. E. Baumbach, J. D. Thompson, E. D. Bauer, A. Yazdani, Nat. Phys. 2013, 9, 682.

S. E. Rowley, L. J. Spalek, R. P. Smith, M. P. M. Dean, M. Itoh, J. F. Scott, G. G. Lonzarich, S. S. Saxena, Nat. Phys. 2014, 10, 367.

A. Narayan, A. Cano, A. V. Balatsky, N. A. Spaldin, Nat. Mater. 2018, 18, 223.

S. Mukhopadhyay, R. Sharma, C. K. Kim, S. D. Edkins, M. H. Hamidian, H. Eisaki, S.-I. Uchida, E.-A. Kim, M. J. Lawler, A. P. Mackenzie, J. C. S. Davis, K. Fujita, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2019, 116, 13249.

W. A. Little, Phys. Rev. 1964, 134, A1416.

M. H. Hamidian, S. D. Edkins, S. H. Joo, A. Kostin, H. Eisaki, S. Uchida, M. J. Lawler, E.-A. Kim, A. P. Mackenzie, K. Fujita, J. Lee, J. C. S. Davis, Nature 2016, 532, 343.

Z. Du, H. Li, S. H. Joo, E. P. Donoway, J. Lee, J. C. S. Davis, G. Gu, P. D. Johnson, K. Fujita, Nature 2020, 580, 65.

P. Cao, P. Bai, A. A. Omrani, Y. Xiao, K. L. Meaker, H.-Z. Tsai, A. Yan, H. S. Jung, R. Khajeh, G. F. Rodgers, Y. Kim, A. S. Aikawa, M. A. Kolaczkowski, Y. Liu, A. Zettl, K. Xu, M. F. Crommie, T. Xu, Adv. Mater. 2017, 29, 1701536.

M. Kertesz, C. H. Choi, S. Yang, Chem. Rev. 2005, 105, 3448.

W. Barford, Electron. Opt. Prop. Conjugated Polym. 2013, 192.

X. Zhu, J. Guo, J. Zhang, E. W. Plummer, Adv. Phys. X 2017, 2, 622.

J.-P. Pouget, C. R. Phys. 2016, 17, 332.

A. J. Heeger, S. Kivelson, J. R. Schrieffer, W.-P. Su, Rev. Mod. Phys. 1988, 60, 781.

S. Clair, D. G. de Oteyza, Chem. Rev. 2019, 119, 4717.

L. Grill, M. Dyer, L. Lafferentz, M. Persson, M. V. Peters, S. Hecht, Nat. Nanotechnol. 2007, 2, 687.

L. Gross, F. Mohn, N. Moll, P. Liljeroth, G. Meyer, Science 2009, 325, 1110.

P. Jelínek, J. Phys. Condens. Matter 2017, 29, 343002.

D. G. de Oteyza, P. Gorman, Y.-C. Chen, S. Wickenburg, A. Riss, D. J. Mowbray, G. Etkin, Z. Pedramrazi, H.-Z. Tsai, A. Rubio, M. F. Crommie, F. R. Fischer, Science 2013, 340, 1434.

D. J. Rizzo, G. Veber, T. Cao, C. Bronner, T. Chen, F. Zhao, H. Rodriguez, S. G. Louie, M. F. Crommie, F. R. Fischer, Nature 2018, 560, 204.

O. Gröning, S. Wang, X. Yao, C. A. Pignedoli, G. Borin Barin, C. Daniels, A. Cupo, V. Meunier, X. Feng, A. Narita, K. Müllen, P. Ruffieux, R. Fasel, Nature 2018, 560, 209.

J. Li, S. Sanz, M. Corso, D. J. Choi, D. Peña, T. Frederiksen, J. I. Pascual, Nat. Commun. 2019, 10, 200.

N. Pavliček, A. Mistry, Z. Majzik, N. Moll, G. Meyer, D. J. Fox, L. Gross, Nat. Nanotechnol. 2017, 12, 308.

B. Cirera, A. Sánchez-Grande, B. de la Torre, J. Santos, S. Edalatmanesh, E. Rodríguez-Sánchez, K. Lauwaet, B. Mallada, R. Zbořil, R. Miranda, O. Gröning, P. Jelínek, N. Martín, D. Ecija, Nat. Nanotechnol. 2020, 15, 437.

J. K. Asbóth, L. Oroszlány, A. Pályi, Lect. Notes Phys. 2016, 919, 997.

I. B. Bersuker, Chem. Rev. 2013, 113, 1351.

A. Sánchez-Grande, B. de la Torre, J. Santos, B. Cirera, K. Lauwaet, T. Chutora, S. Edalatmanesh, P. Mutombo, J. Rosen, R. Zbořil, R. Miranda, J. Björk, P. Jelínek, N. Martín, D. Écija, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2019, 58, 6559.

J. Zak, Phys. Rev. Lett. 1989, 62, 2747.

V. Blum, R. Gehrke, F. Hanke, P. Havu, V. Havu, X. Ren, K. Reuter, M. Scheffler, Comput. Phys. Commun. 2009, 180, 2175.

J. P. Lewis, P. Jelínek, J. Ortega, A. A. Demkov, D. G. Trabada, B. Haycock, H. Wang, G. Adams, J. K. Tomfohr, E. Abad, H. Wang, D. A. Drabold, Phys. Status Solidi 2011, 248, 1989.

O. Krejčí, P. Hapala, M. Ondráček, P. Jelínek, Phys. Rev. B 2017, 95, 045407.

E. Abad, J. P. Lewis, V. Zobač, P. Hapala, P. Jelínek, J. Ortega, J. Chem. Phys. 2013, 138, 154106.

P. Ruffieux, S. Wang, B. Yang, C. Sánchez-Sánchez, J. Liu, T. Dienel, L. Talirz, P. Shinde, C. A. Pignedoli, D. Passerone, T. Dumslaff, X. Feng, K. Müllen, R. Fasel, Nature 2016, 531, 489.

J. I. Mendieta-Moreno, R. C. Walker, J. P. Lewis, P. Gómez-Puertas, J. Mendieta, J. Ortega, J. Chem. Theory Comput. 2014, 10, 2185.

P. Gehring, J. M. Thijssen, H. S. J. van der Zant, Nat. Rev. Phys. 2019, 1, 381.

F. Evers, R. Korytár, S. Tewari, J. M. van Ruitenbeek, Rev. Mod. Phys. 2020, 92, 035001.

I. Horcas, R. Fernández, J. M. Gómez-Rodríguez, J. Colchero, J. Gómez-Herrero, A. M. Baro, Rev. Sci. Instrum. 2007, 78, 013705.

H. Heinz, T.-J. Lin, R. Kishore Mishra, F. S. Emami, Langmuir 2013, 29, 1754.

A. D. Becke, Phys. Rev. A 1988, 38, 3098.

C. Lee, W. Yang, R. G. Parr, Phys. Rev. B 1988, 37, 785.

S. Grimme, S. Ehrlich, L. Goerigk, J. Comput. Chem. 2011, 32, 1456.

M. A. Basanta, Y. J. Dappe, P. Jelínek, J. Ortega, Comput. Mater. Sci. 2007, 39, 759.

A. D. Becke, J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648.

P. Hapala, G. Kichin, C. Wagner, F. S. Tautz, R. Temirov, P. Jelínek, Phys. Rev. B 2014, 90, 085421.

Najít záznam

Citační ukazatele

Nahrávání dat ...

Možnosti archivace

Nahrávání dat ...