Fysikere fyldte en spøgelsesfuld 'Skyrmion' fuld af 'Antiskyrmions'

Der er spøgelsesformer skjult i magnetiske felter.

De er ikke lavet af ting, som en lyn eller en lysstråle er. En lysbolt bærer en ret defineret gruppe af elektroner fra himlen helt til jorden. Solskin, der rammer dit ansigt, består for det meste af de samme fotoner, der rejste millioner af miles fra solen.

Men magnetfelter indeholder ting, der kaldes skyrmioner, der adskiller sig fra elektroner og fotoner; en skyrmion er en knude af magnetfeltlinjer, der løber rundt om hinanden. Når den flytter fra det ene sted til det næste, gør en skyrmion sig ny ud af magnetfeltlinjerne, der allerede er der. Knuden holder sammen, fordi magnetfeltlinjer modstår at passere gennem hinanden. Så mens skyrmioner er uvæsentlige og forskellige fra genstande, vi er vant til at tænke på, fungerer de som mere håndgribelige ting. [9 seje fakta om magneter]

Fysikere kalder disse skyrmioner "kvasipartikler" og har mistanke om, at de kunne forklare fænomener så forskellige som kuglnedslag og atomens nukleare struktur. I en ny artikel viste forskere, at skyrmioner kan være fyldt ind i hinanden og få en helt ny form. Disse opblåste "skyrmion-tasker" er fascinerende genstande i deres egen ret, men de bizarre ting kan også være nyttige til futuristisk computing, sagde forskerne.

Fyld dem i en pose

Holdet afslørede skyrmion-poserne i et papir, der blev offentliggjort 1. april i tidsskriftet Nature Physics. Resultatet er afhængig af en nøglelighed mellem de spøgelsesrige kvasipartikler og fast stof: eksistensen af ​​antipartikler.

Ligesom protoner har modstykke antiprotoner, der udsletter hinanden ved kontakt med hinanden, har skyrmioner antiskyrmioner.

"En antiskyrmion er en skyrmion, hvor alle numre vendes," sagde David Foster, fysiker ved University of Birmingham i England og en af ​​hovedforfatterne af den nye undersøgelse.

Så hvis en magnetfeltlinie peger nord i en skyrmion, ville den pege syd i en antiskyrmion. Men antiskyrmioner og skyrmioner afviser kraftigt hinanden. Det viste sig at være nøglen til at bygge skyrmion-poser, sagde forskerne.

"Hvis jeg tager en skyrmion, og jeg strækker den lidt ud, og jeg tager en antiskyrmion og placerer den i midten af ​​den [skyrmion] ... de vil ikke udslette. Det er en stabil konstruktion," fortalte Foster .

Hvad mere er, indså forskerne, når du først har strækket en skyrmion, kan du fylde endnu flere antiskyrmioner inde i det.

Og den erkendelse, sagde Foster, åbnede døren igen for en seks år gammel idé om at sætte skyrmions til at arbejde.

Skyrmion opbevaring

Tilbage i 2013 foreslog en trio af forskere en teoretisk "skyrmion racetrack-hukommelsesenhed" i tidsskriftet Nature Nanotechnology.

Ideen var, at de små magnetiske mønstre muligvis kunne tilbyde en løsning på et grundlæggende problem inden for computerdesign: elforbrug.

"Hvis du overvejer en gammeldags harddisk, som er en slags spindisk, kræver det en masse magt," sagde Foster.

2013-forskernes foreslåede laveffektudskiftning ville drage fordel af det faktum, at en meget lille strøm får skyrmioner på en magnetisk overflade til at skyde hurtigt langs.

Måske antydede disse forskere, hvis du tog en lang, tynd magnetisk strimmel (racerbanen) og fyldte den med skyrmioner, kunne du kode data i det magnetiske materiale i mellemrum mellem kvasipartiklerne. En magnetisk læser kunne for eksempel tolke et langt mellemrum mellem skyrmioner som et binært 1 og et kort mellemrum som et binært 0.

For at hente disse lagrede data kan en elektrisk strøm derefter skyde skyderne til at scoote frem og tilbage under en magnetisk læser. Det kræver meget lidt kraft at bevæge skyrmions frem og tilbage langs en magnetisk overflade, så den resulterende enhed kan være meget effektiv.

Men ideen havde nogle grundlæggende problemer, sagde Foster. Mens skyrmioner er ret stabile, er hullerne mellem dem ikke. Over tid vil ufuldkommenheder i magnetstrimlerne blande dataene, når skyrmionerne bevægede sig frem og tilbage.

"Stray magnetfelter kommer ind. Og dette er som hastighedsdumpe, der vises og forsvinder. Og med de huller, der vises og forsvinder, vil hullerne mellem dine [skyrmions] være gået tabt," sagde Foster.

Hvordan poser kunne løse problemet

Den virkelig interessante ting her, sagde Foster, er, at skyrmion-poser ikke mister antiskyrmioner over tid, eller når de passerer magnetiske "hastighedsstød."

Læg en flok skyrmion-poser på en racerbaneenhed, skrev forskerne i den nye undersøgelse, og en computer kunne kode og hente data baseret på antallet af antiskyrmioner i hver taske, der passerer under læseren.

"Mine kolleger er virkelig begejstrede for tanken om, at du også kunne øge datatætheden på denne måde," sagde Foster. [9 numre, der er køligere end Pi]

Hvor konventionel computerlagring kun er afhængig af 1'ere og 0'ere, sagde han, kunne et skyrmion-posesystem bruge 0'ere, 1'ere, 2'ere, 3'ere og så videre. Det ville åbne døren til meget mere komplekse former for datakodning, der kunne indsætte langt mere information i et givet rum end en traditionel binær metode kan.

Test af flydende krystal

Ingen har endnu formået at lave en skyrmion-taske på en magnetstrimmel. Men efter at have testet konceptet ved hjælp af computersimuleringer, vendte Foster og hans team i Storbritannien sig til en gruppe forskere ved University of Colorado for at bringe de første kendte skyrmion-tasker ud i verden.

Typisk tænker fysikere på skyrmioner som ting, der findes i magnetfelter. Men partiklerne kan også findes i andre stoffer, som de flydende krystaller - justerede, stive, stavlignende molekyler - der fylder skærmene på din bærbare computer og nogle mobiltelefoner. [Billeder: Inde i verdens største fysiklaboratorier]

Med præcision "optisk pincet", teamet fra University of Colorado (ledet af eksperimentatoren Ivan Smalyukh) "trak" skyrmion poser i flydende krystal, sagde Jung-Shen Tai, en studerende i fysik på laboratoriet.

Disse skyrmion-poser forblev uudslettelige i det krystallinske stof og synlige, da forskerne kiggede på dem gennem mikroskoper. Det (sammen med computersimuleringen) er stærkt bevis for, at skyrmion-poser også ville være stabile i magneter, sagde Foster.

Indtil videre har ingen rapporteret om, at de bygger nogen reelle lagringsenheder til racerbaner, så meget mindre lagerenheder, der er afhængige af skyrmion-poser. Men sådanne enheder kommer, insisterede Foster.

”Jeg ved allerede, at folk arbejder på tilskud til at gøre disse ting,” sagde han.

• Skør fysik: De fedeste små partikler i naturen
• De 12 mærkeligste objekter i universet
• 7 Mærkelige fakta om kvarker

Oprindeligt offentliggjort den .