Hopfions φαίνονται σε μαγνητικό κρύσταλλο - Physics World

Οι ερευνητές παρατήρησαν για πρώτη φορά τρισδιάστατες δομές μαγνητικής περιστροφής που ονομάζονται hopfions σε ένα φυσικό υλικό. Το αποτέλεσμα θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες ιδέες για συσκευές σπιντρονικής – δηλαδή αυτές που χρησιμοποιούν το σπιν ενός ηλεκτρονίου καθώς και το φορτίο του.

Τα Hopfions είναι τρισδιάστατες εκδοχές σολιτονίων σε σχήμα ντόνατ, τα οποία είναι πακέτα κυμάτων που διατηρούν το σχήμα και το μέγεθός τους καθώς διαδίδονται μέσω ενός υλικού. Τα Hopfions μπορούν επίσης να θεωρηθούν ως κλειστές, στριμμένες χορδές σκυρμιονίων, που είναι δισδιάστατα σολίτονα με δομή που μοιάζει με δίνη.

Προηγουμένως, τα hopfions είχαν παρατηρηθεί μόνο σε συνθετικά πολυστρωματικά υλικά. Στην τελευταία εργασία, οι ερευνητές με επικεφαλής τον Φενγκσάν Ζενγκ at Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Νότιας Κίνας, Νικολάι Κισέλεφ of ερευνητικό κέντρο Julich, Γερμανία, και Φίλιπ Ριμπάκοφ at Το Πανεπιστήμιο της Ουψάλα, Σουηδία, χρησιμοποίησε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης για να τα παρατηρήσει να σχηματίζουν συζευγμένες καταστάσεις με σειρές σκυρμιονίων σε πλάκες κομμένες από έναν μόνο κρύσταλλο γερμανίδης σιδήρου (FeGe).

Χορδές Skyrmion και κρίκους hopfion

«Οι διαμορφώσεις περιστροφής που ανακαλύψαμε είναι ίσως οι πιο περίπλοκες τοπολογικές μαγνητικές υφές που έχουν απεικονιστεί ποτέ σε μαγνητικούς κρυστάλλους», λέει ο Kiselev. «Αποτελούνται από δύο βασικά στοιχεία που συνδέονται μεταξύ τους: τις χορδές skyrmion και τους δακτυλίους hopfion γύρω τους».

Η ανακάλυψη, όπως συμβαίνει συχνά στην πειραματική φυσική, ήταν απροσδόκητη. Ο αρχικός στόχος των ερευνητών ήταν να μελετήσουν σκυρμιόνια που έχουν αυθαίρετο τοπολογικό φορτίο, τα οποία είναι γνωστά στη βιβλιογραφία ως skyrmion bags. Επέλεξαν το FeGe επειδή εργάζονταν πάνω σε αυτό από το 2015 και είχαν ήδη ανακαλύψει πολλές ενδιαφέρουσες μαγνητικές δομές σε αυτό, συμπεριλαμβανομένων των χειρόμορφων μπόμπερ, των πλεξούδων σκυρμιόν και των ζευγαριών σκυρμιόν-αντισκυρμιόν.

«Περιμέναμε να παρατηρήσουμε σάκους skyrmion, αλλά εκτός από αυτές, παρατηρήσαμε και μια άλλη δομή, η οποία μας μπέρδεψε», λέει ο Rybakov. «Μετά από αυτό, υπήρξαν αρκετοί μήνες σκληρής δουλειάς, όταν έπρεπε να αναπαράγουμε και να συσσωρεύσουμε πειραματικά δεδομένα και να εκτελέσουμε μια μεγάλη σειρά μικρομαγνητικών προσομοιώσεων για να ανακατασκευάσουμε κάθε μία από τις εικόνες που είχαμε καταγράψει στο μικροσκόπιο».

Φαινόμενο άκρων

Ένας από τους παράγοντες που περιπλέκουν, προσθέτει ο Rybakov, είναι ότι οι διαμορφώσεις spin στα hopfions αντιστοιχούν σε μετασταθερές καταστάσεις. Αυτό διαφέρει από τα skyrmions, τα οποία έχουν διαμορφώσεις περιστροφής που είναι εντελώς σταθερές, γεγονός που τα καθιστά σχετικά εύκολο στην παρατήρησή τους.

Μια περαιτέρω επιπλοκή είναι ότι τα hopfions δεν προκύπτουν αυθόρμητα, έτσι οι ερευνητές έπρεπε να τα πειράξουν. Το έκαναν αυτό διεγείροντας τον κρύσταλλό τους, ο οποίος περιέχει δισεκατομμύρια μαγνητικά άτομα, με τέτοιο τρόπο που οι μαγνητικές ροπές των ατόμων σε έναν μικροσκοπικό όγκο του κρυστάλλου πήραν αυτό που ο Rybakov αποκαλεί μια «τοπολογικά μη τετριμμένη» μαγνητική υφή. «Πρόκειται για μια υφή που, με συνεχείς μετασχηματισμούς, δεν μπορεί να υποστεί μια μετάβαση σε μια σιδηρομαγνητική κατάσταση στην οποία όλες οι περιστροφές δείχνουν προς την ίδια σχεδόν κατεύθυνση», εξηγεί. "Οι συνεχείς μετασχηματισμοί διατηρούν τη γωνία μεταξύ των γειτονικών περιστροφών μικρή, που σημαίνει πολύ μικρότερη από 90 μοίρες."

Μια παρόμοια διαδικασία συμβαίνει για τοπολογικά σολίτονα σε χύμα κρυστάλλους, σημειώνει. Αυτές οι δισδιάστατες δομές σπιν δεν μπορούν να προκύψουν παρά μόνο με την παρουσία μιας ασυνέχειας όπου οι γωνίες μεταξύ των περιστροφών γίνονται πολύ μεγάλες. Ωστόσο, τα κράτη με ασυνέχειες είναι ενεργειακά δυσμενή και υπό κανονικές συνθήκες δεν σχηματίζονται. Μόνο στα άκρα του δείγματος, όπου το πεδίο μαγνήτισης παρουσιάζει φυσικά ασυνέχειες, μπορούν να εμφανιστούν αυτές οι δομές.

Πιθανολογικός χαρακτήρας

Όταν οι ερευνητές τοποθέτησαν τις πλάκες τους με FeGe σε ένα κυκλικό μαγνητικό πεδίο που άλλαζε διαδοχικά κατεύθυνση, παρατήρησαν «ένα ενδιαφέρον φαινόμενο» στις άκρες του δείγματος, λέει ο Zheng. Κόσμος Φυσικής. «Συγκεκριμένα, η υφή [μαγνητικής] περιστροφής σχηματίζει κλειστούς βρόχους σπειροειδών διαμορφώσεων», λέει. "Καθώς εφαρμόζονται περισσότεροι κύκλοι του πεδίου, σχηματίζονται περισσότεροι ομόκεντροι βρόχοι."

Μετά από πολύ επίπονη προσπάθεια, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι διαμορφώσεις με πολλούς τέτοιους ομόκεντρους βρόχους αντιπροσωπεύουν μια κατάσταση με μεγάλη πιθανότητα να μετατραπεί σε δακτύλιο hopfion καθώς το μαγνητικό πεδίο σταδιακά αυξάνεται. Στις περισσότερες περιπτώσεις, ωστόσο, το σύστημα θα συγκλίνει σε καταστάσεις με χαμηλότερη ενέργεια από τον δακτύλιο hopfion.

Το προσαρμοσμένο υλικό κάνει πιο γρήγορα σκυρμιόνια

«Εξαιτίας αυτού, η εμφάνιση του hopfion έχει έναν πιθανό χαρακτήρα», εξηγεί ο Kiselev. «Αυτό έκανε το πείραμα ιδιαίτερα προκλητικό, αλλά διαπιστώσαμε ότι η πιθανότητα εμφάνισης χοπφιόν αυξάνεται σε ένα συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασίας. Αν και είναι ακόμη δύσκολο να ποσοτικοποιηθεί η πιθανότητα εμφάνισης των οιονεί σωματιδίων, η αυτοματοποίηση του πειράματός μας μπορεί να μας βοηθήσει να το κάνουμε αυτό στο μέλλον».

Κλειστοί βρόχοι σπειροειδών διαμορφώσεων

Αν και είναι δύσκολο να προβλεφθούν εφαρμογές για hopfions, ο Kiselev σημειώνει ότι σε αντίθεση με τα skyrmions, είναι τρισδιάστατα αντικείμενα που μπορούν να κινηθούν σε τρεις χωρικές διαστάσεις. Θα μπορούσαν επομένως να βρουν χρήση σε τρισδιάστατες εκδόσεις ήδη καθιερωμένων εννοιών skyrmion, όπως μνήμες πίστας, νευρομορφικοί υπολογιστές και κβαντικά bit.

Οι ερευνητές, που αναφέρουν την εργασία τους στο Φύση, τώρα σχεδιάζετε να μελετήσετε πώς ένα εφαρμοσμένο ρεύμα επηρεάζει την κίνηση των δακτυλίων hopfion. Στοχεύουν επίσης να παρατηρήσουν άλλα hopfions, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που δεν συνδέονται με χορδές σκυρμίων. «Ελπίζουμε να κάνουμε και ένα πείραμα τομογραφίας», λέει ο Zheng. «Αυτό θα μας παρείχε μια πραγματική τρισδιάστατη δομή δαχτυλιδιών hopfion, αντί για τις δισδιάστατες προβαλλόμενες εικόνες που έχουμε σήμερα».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/hopfions-seen-in-a-magnetic-crystal/