Natuurkundigen vulden een spookachtige 'Skyrmion' vol 'antiskyrmions'

Er zijn spookachtige vormen verborgen in magnetische velden.

Ze zijn niet gemaakt van spullen zoals een bliksemschicht of een lichtstraal. Een bliksemschicht draagt ​​een redelijk gedefinieerde groep elektronen van de lucht helemaal naar de grond. Zonneschijn die op je gezicht valt, bestaat grotendeels uit dezelfde fotonen die miljoenen kilometers van de zon verwijderd zijn geweest.

Maar magnetische velden bevatten dingen die skyrmionen worden genoemd en die verschillen van elektronen en fotonen; een skyrmion is een knoop van magnetische veldlijnen die om elkaar heen lopen. Terwijl het van de ene plek naar de andere drijft, maakt een skyrmion zichzelf opnieuw uit de magnetische veldlijnen die er al zijn. De knoop houdt bij elkaar omdat magnetische veldlijnen weerstand bieden aan door elkaar heen gaan. Dus hoewel skyrmions niet substantieel zijn en verschillen van objecten waaraan we gewend zijn te denken, gedragen ze zich als meer tastbare dingen. [9 coole weetjes over magneten]

Natuurkundigen noemen deze skyrmions 'quasi-deeltjes', en vermoeden dat ze verschijnselen kunnen verklaren die zo uiteenlopend zijn als bolbliksem en de nucleaire structuur van een atoom. Nu, in een nieuw artikel, hebben onderzoekers aangetoond dat skyrmions in elkaar kunnen worden gestopt en een geheel nieuwe vorm aannemen. Deze opgeblazen "skyrmion bags" zijn op zichzelf al fascinerende objecten, maar de bizarre dingen kunnen ook nuttig zijn voor futuristisch computergebruik, aldus de onderzoekers..

Stop ze in een tas

Het team onthulde de skyrmion-tassen in een paper dat op 1 april in het tijdschrift Nature Physics werd gepubliceerd. Het resultaat berust op een belangrijke overeenkomst tussen de spookachtige quasi-deeltjes en vaste materie: het bestaan ​​van antideeltjes.

Net zoals protonen tegenhangers antiprotonen hebben die elkaar vernietigen bij contact met elkaar, hebben skyrmions antiskyrmions.

"Een antiskyrmion is een skyrmion waarbij alle cijfers zijn omgekeerd", zegt David Foster, een natuurkundige aan de Universiteit van Birmingham in Engeland en een van de hoofdauteurs van de nieuwe studie..

Dus als een magnetische veldlijn naar het noorden wijst in een skyrmion, zou hij naar het zuiden wijzen in een antiskyrmion. Maar antiskyrmions en skyrmions stoten elkaar krachtig af. Dat bleek de sleutel te zijn tot het bouwen van skyrmion-tassen, aldus de onderzoekers.

"Als ik een skyrmion neem en ik rek het een beetje uit en ik neem een ​​antiskyrmion en plaats het in het midden ervan [het skyrmion] ... ze zullen niet vernietigen. Het is een stabiele constructie," vertelde Foster. .

Bovendien realiseerden de onderzoekers zich dat als een skyrmion eenmaal is uitgerekt, je er nog meer antiskyrmions in kunt stoppen.

En dat besef, zei Foster, opende weer de deur voor een zesjarig idee om skyrmions aan het werk te zetten.

Skyrmion-opslag

In 2013 stelde een drietal onderzoekers een theoretisch "skyrmion racetrack-geheugenapparaat" voor in het tijdschrift Nature Nanotechnology.

Het idee was dat de kleine magnetische patronen een oplossing zouden kunnen bieden voor een basisprobleem bij het ontwerpen van computers: elektriciteitsverbruik.

"Als je kijkt naar een ouderwetse harde schijf, wat een soort draaiende schijf is, dan kost dat veel stroom", zei Foster.

De door de onderzoekers in 2013 voorgestelde vervanging met laag vermogen zou profiteren van het feit dat een zeer kleine stroom ervoor zorgt dat skyrmions op een magnetisch oppervlak snel voortbewegen.

Misschien suggereerden die onderzoekers dat als je een lange, dunne strook magnetisch materiaal (het racecircuit) zou nemen en het met skyrmions zou laden, je gegevens zou kunnen coderen in het magnetische materiaal in openingen tussen de quasideeltjes. Een magnetische lezer zou bijvoorbeeld een lange opening tussen skyrmions kunnen interpreteren als een binaire 1 en een korte opening als een binaire 0..

Om die opgeslagen gegevens op te halen, zou een elektrische stroom de skyrmions kunnen aanzetten om heen en weer te schieten onder een magnetische lezer. Het kost heel weinig kracht om skyrmions heen en weer te bewegen langs een magnetisch oppervlak, dus het resulterende apparaat zou zeer efficiënt kunnen zijn.

Maar het idee had een aantal basisproblemen, zei Foster. Hoewel skyrmions redelijk stabiel zijn, zijn de gaten ertussen dat niet. Na verloop van tijd zouden onvolkomenheden in de magnetische strips de gegevens in de war brengen terwijl de skyrmions heen en weer bewogen.

"Verdwaalde magnetische velden komen binnen. En dit is als verkeersdrempels die verschijnen en verdwijnen. En met die gaten die verschijnen en verdwijnen, zullen de gaten tussen jullie [skyrmions] verloren zijn gegaan", zei Foster.

Hoe tassen het probleem kunnen oplossen

Het echt interessante hier, zei Foster, is dat skyrmion-tassen na verloop van tijd geen antiskyrmions verliezen of wanneer ze over magnetische 'verkeersdrempels' gaan.

Zet een heleboel skyrmion-tassen op een racebaanapparaat, schreven de onderzoekers in de nieuwe studie, en een computer kon gegevens coderen en ophalen op basis van het aantal antiskyrmionen in elke tas die onder de lezer passeren.

"Mijn collega's zijn erg enthousiast over het idee dat je op deze manier ook de datadichtheid zou kunnen verhogen", aldus Foster. [9 cijfers die koeler zijn dan Pi]

Waar conventionele computeropslag alleen afhankelijk is van 1s en 0s, zei hij, kan een skyrmion-bag-systeem 0s, 1s, 2s, 3s enzovoort gebruiken. Dat zou de deur openen naar veel complexere vormen van gegevenscodering die veel meer informatie in een bepaalde ruimte zouden kunnen stoppen dan een traditionele binaire methode..

De vloeibare kristaltest

Het is nog niemand gelukt om een ​​skyrmion-tas op een magnetische strip te maken. Maar na het concept te hebben getest met computersimulaties, wendden Foster en zijn team in het VK zich tot een groep onderzoekers van de Universiteit van Colorado om de eerste bekende skyrmion-tassen ter wereld te brengen..

Typisch denken natuurkundigen aan skyrmionen als dingen die bestaan ​​in magnetische velden. Maar de deeltjes kunnen ook in andere stoffen voorkomen, zoals de vloeibare kristallen - uitgelijnde, stijve, staafachtige moleculen - die de schermen van je laptop en sommige mobiele telefoons vullen. [Afbeeldingen: in 's werelds beste fysica-laboratoria]

Met precisie "optische pincetten" "tekende" het team van de Universiteit van Colorado (onder leiding van de experimentator Ivan Smalyukh) skyrmion-zakken in het vloeibare kristal, zei Jung-Shen Tai, een student natuurkunde in het laboratorium..

Deze skyrmionzakjes bleven onuitwisbaar in de kristallijne substantie en zichtbaar als de onderzoekers er door microscopen naar keken. Dat (samen met de computersimulatie) is een sterk bewijs dat skyrmion-tassen ook stabiel zouden zijn in magneten, zei Foster.

Tot dusverre heeft niemand gemeld dat er echte opslagapparaten voor racecircuits zijn gebouwd, laat staan ​​dat opslagapparaten op skyrmion-tassen vertrouwen. Maar dergelijke apparaten komen eraan, drong Foster aan.

"Ik weet al dat mensen aan subsidies werken om deze dingen te maken," zei hij.

• Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature
• De 12 vreemdste objecten in het heelal
• 7 vreemde feiten over quarks

Oorspronkelijk gepubliceerd op .