Magnetiske nanoknotter fremkalder Lord Kelvins virvelteori om atomer

(Phys.org) - I slutningen af ​​1800 -tallet, da forskere stadig forsøgte at finde ud af, hvad nøjagtigt atomer er, en af ​​de førende teorier, foreslået af Lord Kelvin, var, at atomer er knuder af hvirvlende hvirvler i æteren. Selvom denne idé viste sig at være helt forkert, det indvarslede moderne knudeori, som i dag bruges inden for forskellige videnskabsområder såsom væskedynamik, strukturen af ​​DNA, og kiralitetsbegrebet.

Nu i et nyt blad udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , matematisk fysiker Paul Sutcliffe ved Durham University i Storbritannien har teoretisk vist, at nanopartikler kaldet magnetiske skyrmioner kan bindes til forskellige typer knob med forskellige magnetiske egenskaber. Han forklarer, at i en vis forstand, disse nanoknotter repræsenterer en "nanoskala -genopstandelse af Kelvins drøm om knyttede marker."

Skyrmions er navnet på en generel klasse af partikler, der er fremstillet ved at vride et felt. Når dette felt er et magnetfelt, skyrmionerne kaldes magnetiske skyrmions. Magnetiske skyrmioner har tiltrukket sig meget opmærksomhed for nylig på grund af deres potentielle anvendelser inden for spintronics, hvor elektronspins (som er relateret til elektronens magnetiske egenskaber) udnyttes ved design af transistorer, lagringsmedier, og relaterede enheder.

Magnetiske skyrmions blev eksperimentelt observeret for første gang for et par år siden, i tynde skiver af magnetiske materialer-dybest set todimensionale materialer. Ved at vise, at magnetiske skyrmions teoretisk set kan bindes i knuder, de nye resultater flytter disse partikler fra den todimensionelle verden til den tredimensionelle.

"Det vigtigste punkt er, at disse nanoknob er stabile, fordi felter normalt undgår at blive knyttet ved at binde sig selv, "Fortalte Sutcliffe Phys.org .

Sutcliffe viste, at skyrmion -knuderne kan karakteriseres ved Hopf -ladningen, hvilket angiver antallet af gange, en skyrmions buede magnetiske linjer er forbundet med hinanden. Han viste, at skyrmioner med lave Hopf-ladninger har tendens til at danne ringe, mens dem med højere Hopf -afgifter danner links og knuder.

Sutcliffes undersøgelse fokuserer på magnetiske skyrmions i en bestemt type magnet kaldet frustrerede magneter, som tilbyder skyrmions en ekstra rotationsfrihedsgrad i forhold til andre magnetiske materialer. Denne fleksibilitet giver skyrmions det ekstra rum, der er nødvendigt for at blive bundet i knuder.

På det tidspunkt Sutcliffe skrev sit papir, ingen havde nogensinde observeret skyrmions i frustrerede magneter. Men som et vidnesbyrd om det hurtige forskningstempo på dette område, blot et par dage efter denne publikation rapporterede forskere fra Kina om de første eksperimentelle observationer af skyrmioner i en frustreret magnet (arXiv:1706.05177 [cond-mat.mtrl-sci]).

Dette resultat markerer et vigtigt skridt i retning af at realisere knudrede magnetiske skyrmioner, og den næste udfordring bliver at finde en måde at konstruere skyrmionerne til knob. Nyere arbejde med skyrmions har antydet, at disse partikler kan kontrolleres ved hjælp af optiske hvirvelstråler, arrays af ferromagnetiske nanoroder, og andre metoder. Forskere udvikler også i øjeblikket billeddannelsesteknikker til skyrmions, hvilket vil være afgørende for identifikationen af ​​disse nanoknoter. Med nye resultater om skyrmions, der rapporteres næsten dagligt, Sutcliffe er optimistisk omkring udsigterne til at skabe skyrmion -knuder.

"Mine fremtidige forskningsplaner på dette område er optaget af at studere dannelsen af ​​disse nanoknoter, at hjælpe med at udvikle metoder og foreslå gunstige betingelser for eksperimentelister til at skabe og observere disse strukturer, " sagde Sutcliffe.

© 2017 Phys.org