Fyzici plnili strašidelný 'Skyrmion' plný 'Antiskyrmions'

V magnetických polích jsou skryté strašidelné tvary.

Nejsou vyrobeny z věcí, jako je blesk nebo paprsek světla. Osvětlovací čep nese docela přesně definovanou skupinu elektronů z oblohy až na zem. Slunce, které zasáhne vaši tvář, sestává většinou ze stejných fotonů, které uběhly miliony mil od Slunce.

Magnetická pole však obsahují věci zvané skyrmiony, které se liší od elektronů a fotonů; skyrmion je uzel čar magnetického pole, které se kolem sebe opakují. Když se přesouvá z jednoho místa na další, skyrmion se znovu stává z čar magnetického pole, které již existují. Uzel drží pohromadě, protože čáry magnetického pole odolávají vzájemnému průchodu. Takže zatímco skyrmiony jsou nepodstatné a liší se od předmětů, na které jsme zvyklí, jednají jako hmatatelnější věci. [9 skvělých faktů o magnetech]

Fyzici nazývají tyto skyrmiony „quasiparticles“ a mají podezření, že by mohli vysvětlit jevy jako nesourodé jako blesky a jadernou strukturu atomu. Nyní, v novém článku, vědci ukázali, že skyrmiony mohou být plněny do sebe, přičemž získaly zcela nový tvar. Tyto nafouknuté "skyrmionové tašky" jsou fascinující objekty samy o sobě, ale bizarní věci mohou být také užitečné pro futuristické výpočty, uvedli vědci.

Naplňte je v sáčku

Tým odhalil Skyrmionovy tašky v novinách publikovaných 1. dubna v časopise Nature Physics. Výsledek se spoléhá na klíčovou podobnost mezi strašidelnými kvasičásticemi a pevnou hmotou: existence antičástic.

Stejně jako protony mají protějšky antiprotony, které se navzájem ničí při vzájemném kontaktu, skyrmiony mají antiskyrmiony.

„Antiskyrmion je skyrmion, kde jsou všechna čísla obrácena,“ řekl David Foster, fyzik na University of Birmingham v Anglii a jeden z hlavních autorů nové studie.

Takže pokud by magnetická linie pole směřovala na sever v skyrmionu, směřovala by na jih v antiskyrmionu. Ale antiskyrmiony a skyrmiony se navzájem silně odrazují. To se ukázalo být klíčem k budování skyrmionových tašek, uvedli vědci.

"Když vezmu skyrmion a trochu ho natáhnu a vezmu antiskyrmion a umístím ho do středu [skyrmion] ... nebudou zničeni. Je to stabilní konstrukce," řekl Foster .

A co víc, vědci si uvědomili, že jakmile se protáhne skyrmion, můžete do něj vložit ještě více antiskyrmionů.

A tato realizace, řekl Foster, znovu otevřela dveře šestileté myšlence na uvedení skyrmionů do provozu.

Úložiště Skyrmion

V roce 2013 navrhlo trojice vědců v časopise Nature Nanotechnology teoretické „zařízení pro závodní dráhu skyrmionu“..

Myšlenkou bylo, že malé magnetické vzory mohou nabídnout řešení základního problému v návrhu počítače: spotřeby elektřiny.

"Pokud uvažujete o staromódním pevném disku, který je jakýmsi rotujícím diskem, vyžaduje to hodně energie," řekl Foster..

Výzkumná nízkoenergetická náhrada navržená vědci v roce 2013 by využila skutečnosti, že velmi malý proud způsobuje rychlé skákání skyrmionů na magnetickém povrchu..

Možná tito vědci navrhli, kdybyste si vzali dlouhý, tenký proužek magnetického materiálu (závodiště) a naložili ho skyrmiony, mohli byste kódovat data do magnetického materiálu v mezerách mezi kvasipartikami. Magnetická čtečka mohla například interpretovat dlouhou mezeru mezi skyrmiony jako binární 1 a krátkou mezeru jako binární 0.

Aby bylo možné načtená data načíst, pak by elektrický proud mohl zatlačit skyrmiony do koloběhu sem a tam pod magnetickou čtečkou. Pohyb skyrmionů tam a zpět po magnetickém povrchu vyžaduje jen velmi malou sílu, takže výsledné zařízení by mohlo být velmi efektivní.

Ale nápad měl některé základní problémy, řekl Foster. Zatímco skyrmiony jsou poměrně stabilní, mezery mezi nimi nejsou. Postupem času se nedokonalost magnetických proužků zahmulala data, když se skyrmiony pohybovaly tam a zpět.

"Přicházejí magnetická pole se stmíváním. A to je jako rány, které se objevují a mizí. A s tím, jak se objevují a mizí mezery, mezery mezi vašimi [skyrmiony] budou ztraceny," řekl Foster.

Jak tašky mohly problém vyřešit

Skutečně zajímavá věc, řekl Foster, je, že skyrmionové tašky neztrácejí antiskyrmiony v průběhu času nebo když přecházejí přes magnetické „rychlostní hrboly“.

Vědci v nové studii napsali spoustu skyrmionových sáčků, psali vědci v nové studii a počítač mohl kódovat a načítat data na základě počtu antiskyrmionů v každém sáčku, které procházejí pod čtečkou.

"Moji kolegové jsou opravdu nadšeni myšlenkou, že byste také mohli zvýšit hustotu dat tímto způsobem," řekl Foster. [9 čísel, která jsou chladnější než Pi]

Tam, kde se konvenční počítačové úložiště spoléhá pouze na 1s a 0s, řekl, že systém skyrmionového vaku by mohl používat 0s, 1s, 2s, 3s atd. To by otevřelo dveře mnohem složitějším formám kódování dat, které by do daného prostoru mohly vložit mnohem více informací, než dokáže tradiční binární metoda..

Test s tekutými krystaly

Zatím se nikomu nepodařilo vyrobit skyrmionovou tašku na magnetickém proužku. Ale po testování konceptu pomocí počítačových simulací se Foster a jeho tým v U.K. obrátili na skupinu vědců na University of Colorado, aby přinesli první známé pytle skyrmionů na svět.

Fyzici obvykle považují skyrmiony za věci, které existují v magnetických polích. Částice však mohou existovat i v jiných látkách, jako jsou tekuté krystaly - zarovnané, tuhé, tyčinkovité molekuly - které vyplňují obrazovky vašeho notebooku a některé mobilní telefony. [Images: Inside the World's Physics Labs]

S přesnými „optickými pinzetami“, tým University of Colorado (v čele s experimentátorem Ivanem Smalyukhem) „nakreslil“ tašky z skyrmionu do tekutého krystalu, řekl Jung-Shen Tai, student postgraduální fyziky v laboratoři.

Tyto sáčky skyrmionu zůstaly v krystalické látce nesmazatelné a viditelné, když na ně vědci hleděli mikroskopem. To (spolu s počítačovou simulací) je přesvědčivým důkazem toho, že tašky s skyrmionem budou také stabilní v magnetech, řekl Foster.

Zatím nikdo nehlásil, že by stavěl žádná reálná zařízení pro závodní dráhy, natož zařízení pro ukládání dat, která se spoléhají na tašky Skyrmion. Ale taková zařízení se blíží, naléhal Foster.

„Už vím, že lidé na grantech dělají tyto věci,“ řekl.

• Wacky Physics: Nejchladnější malé částice v přírodě
• 12 nejpodivnějších objektů ve vesmíru
• 7 podivných faktů o kvarkech

Původně publikováno dne .