Aldrig før set topologiske solitons eksperimentelt realiseret i flydende krystaller

(Phys.org)-Fysikere har opdaget, at snesevis af 3-D knyttede strukturer kaldet "topologiske solitoner, "som har været eksperimentelt undvigende i hundredvis af år, kan skabes og fryses i lange perioder i flydende krystaller som dem, der bruges i elektroniske displays. Indtil nu, topologiske solitons er kun blevet realiseret i få eksperimenter, og i så kort tid, at det har været umuligt at studere dem i detaljer.

De nye resultater kan ændre alt det, da de giver en måde at producere en bred mangfoldighed af langvarige topologiske solitons, der kan studeres med mikroskoper og, måske en dag, spiller en rolle i nye optiske og elektriske applikationer.

Forskerne, Paul J. Ackerman og Ivan I. Smalyukh ved University of Colorado, Kampesten, har udgivet et papir om den eksperimentelle realisering af topologiske solitons i et nyligt nummer af Fysisk gennemgang X .

"Vores arbejde etablerer eksperimentelle og numeriske metoder til detaljerede undersøgelser af 3D-topologiske solitons, med den store fordel at muliggøre en direkte sammenligning mellem eksperimentelle og teoretiske resultater og med en potentiel indvirkning på mange grene af fysik og det matematiske topologi område, "Fortalte Smalyukh Phys.org . "Vores arbejde demonstrerer ikke kun eksperimentelt 3D-topologiske solitons, som matematikere og teoretiske fysikere forudså tidligere, men afslører også en række solitoniske strukturer, der ikke har været forudset. "

Knyttet baggrund

Interessen for topologiske solitons går tilbage til begyndelsen af ​​1800 -tallet, da matematikeren Carl Friedrich Gauss foreslog, at linierne i magnetiske og elektriske felter danner 3D-knuder, der kan opføre sig som partikler. Senere, Lord Kelvin og andre betragtede knyttede hvirvler som en tidlig model af atomet, hvor knudernes egenskaber kunne forklare de forskellige grundstoffers kemiske egenskaber.

I øjeblikket, mange modeller inden for fysik og kosmologi involverer topologiske solitons - f.eks. modeller af systemer til kondenseret stof, elementære partikler, magnetiske monopoler, og magnetiske partikler kaldet skyrmions, der spiller en rolle i det nye felt af spintronics.

Hvad er topologiske solitons egentlig? Hvis du tager to eller flere cirkulære ringe, forbinde dem sammen for at lave en kæde, forvræng derefter ringene ved at vride og trække i dem, som om de var lavet af kit, og til sidst integrere hele strukturen i en baggrundsoverflade, resultatet ville ligne en topologisk soliton. At beskrive disse objekter mere præcist kræver at definere dem som fire-dimensionelle objekter kaldet "tre-kugler, "og derefter konvertere disse fire-dimensionelle objekter til tredimensionelle objekter ved hjælp af en matematisk teknik kaldet Hopf mapping. Det er disse 3D-objekter, kaldes "præimages, "det er de sammenkædede ringe vist i visuelle repræsentationer.

En af grundene til, at topologiske solitons er så vanskelige at eksperimentelt indse, er, at de svarer til et fysisk systems laveste energitilstand for at være stabile. Af denne grund, de er kun blevet demonstreret som forbigående strukturer i flydende krystaller. Det er også muligt, at topologiske solitons kan eksistere i et andet medium, chirale ferromagneter, men mangel på eksperimentelle billeddannelsesteknikker forhindrer forskere i at observere dem.

Frysende knuder

I den nye undersøgelse, forskerne udviklede en metode til at "fryse" topologiske solitoner i en fast film af kirale nematiske flydende krystaller gennem en polymerisationsproces, der involverer lave niveauer af ultraviolet lys, sammen med varme og køling. For at gøre det muligt for eksperimentet at være bredt tilgængeligt, forskerne brugte kommercielt tilgængelige flydende krystaller, hvortil de tilføjede chirale dopemidler. Brug af optisk pincet til at generere og manipulere mønstre i de forhåndsfrosne flydende krystaller, forskerne kunne også kontrollere, hvilke typer topologiske solitoner der laves.

Efter at de topologiske solitoner er frosset ned i de flydende krystaller, forskerne kan studere dem ved hjælp af et optisk mikroskop - specifikt et tre-foton excitationsfluorescenspolariserende mikroskop, som producerer et optisk signal, der kan bruges til at konstruere 3-D-billeder af solitons.

I den anden del af deres undersøgelse, forskerne viste, hvordan disse data derefter kunne bruges til at lave numeriske simuleringer svarende til de meget komplekse fysiske strukturer. Denne proces er baseret på at analysere de energisk gunstige vridningsmønstre, der minimerer de flydende krystallers elastiske frie energi. I det væsentlige, denne proces med at konvertere de eksperimentelle strukturer (præimages) til numeriske modeller er analog med den matematiske Hopf-kortlægning af 3D-objekter (preimages) til fire dimensioner.

Potentielle applikationer

Evnen til at generere langvarige topologiske solitons åbner også dørene for potentielle applikationer. En idé er at udnytte det faktum, at forskellige topologiske solitons har forskellige optiske egenskaber, som kunne bruges i optiske enheder, der skifter lysfasen, samt i pixels til optiske skærme. Ud over, hvis de topologiske solitoner, der er identificeret her i flydende krystaller, også findes i faste ferromagneter, forskerne forventer, at de potentielt kan revolutionere skyrmionikområdet, hvor skyrmions kunne bruges til at konstruere magnetiske anordninger, såsom datalagring og logik.

"Det store udvalg af lokaliserede langsigtede stabile topologiske solitoner, kombineret med de unikke elektrooptiske egenskaber ved flydende krystalværtsmedium, uundgåeligt vil føre til teknologiske anvendelser, såsom elektrooptiske enheder og bistabile informationsdisplays, "Sagde Ackerman." Et bredt spektrum af nye muligheder dukker også op på den grundlæggende side, hvor vores forskergruppe vil arbejde for at fastslå, hvordan forskellige topologiske solitons kan transformere hinanden til hinanden, og også hvordan solitons med store Hopf -indeksværdier kan eksperimentelt realiseres. "

Samlet set, en af ​​de største fordele ved den nye metode er, at den giver en meget mere omfattende, detaljeret analyse af topologiske soliton -forbilleder end andre konstruktionsmetoder. Som resultat, den nye metode afdækker små detaljer i topologien, som ellers let kunne gå glip af, såsom subtile forskelle mellem meget lignende strukturer, der kunne have taget fejl af at være den samme struktur. Resultaterne viser, at topologiske solitons er mere komplekse og mangfoldige end tidligere beviser kunne vise, og angiver, at mange flere af disse strukturer stadig venter på at blive opdaget.

"Et uendeligt stort antal topologiske solitons kan potentielt eksistere, især når man overvejer forskellige fysiske systemer, "Sagde Smalyukh.

© 2017 Phys.org