Fysiker fyllde en spöklik Skyrmion full av Antiskyrmions

Det finns spöklika former dolda i magnetfält.

De är inte gjorda av saker som en blixt eller en ljusstråle är. En belysningsbult bär en ganska definierad grupp av elektroner från himlen hela vägen till marken. Solsken som träffar ditt ansikte består mestadels av samma fotoner som reste miljoner mil från solen.

Men magnetfält innehåller saker som kallas skyrmioner som skiljer sig från elektroner och fotoner; en skyrmion är en knut av magnetfältlinjer som slingrar runt varandra. När den flyttar sig från en plats till en nästa, gör en skyrmion sig ny ut ur magnetfältlinjerna som redan finns där. Knuten hålls ihop eftersom magnetfältlinjer motstår att passera genom varandra. Så medan skyrmioner är obetydliga och skiljer sig från föremål vi är vana att tänka på, agerar de som mer konkreta saker. [9 coola fakta om magneter]

Fysiker kallar dessa skyrmioner för "kvasipartiklar" och misstänker att de kunde förklara fenomen som lika olikt som kulblixten och en atoms kärnstruktur. Nu, i en ny artikel, visade forskare att skyrmioner kan fyllas i varandra, med en helt ny form. Dessa uppblåsta "skyrmion-väskor" är fascinerande föremål i sig, men de bisarra sakerna kan också vara användbara för futuristisk beräkning, säger forskarna.

Lägg dem i en påse

Teamet avslöjade skyrmion-påsarna i ett papper som publicerades 1 april i tidskriften Nature Physics. Resultatet förlitar sig på en viktig likhet mellan de spöklika kvasipartiklarna och fast materia: förekomsten av antipartiklar.

Precis som protoner har motsvarande antiprotoner som förintar varandra vid kontakt med varandra, har skyrmioner antiskyrmioner.

"En antiskyrmion är en skyrmion där alla siffror är omvända," sa David Foster, en fysiker vid University of Birmingham i England och en av huvudförfattarna till den nya studien.

Så om en magnetfältlinje pekar norrut i en skyrmion, skulle den peka söderut i en antiskyrmion. Men antiskyrmions och skyrmions avvisar kraftfullt varandra. Det visade sig vara nyckeln till att bygga skyrmion-väskor, sa forskarna.

"Om jag tar en skyrmion och sträcker ut den lite och tar en antiskyrmion och placerar den i mitten av den [skyrmion] ... de kommer inte att förintas. Det är en stabil konstruktion," sa Foster .

Dessutom insåg forskarna att när en skyrmion har sträckts ut kan du fylla ännu fler antiskyrmioner i den.

Och det insikten, sade Foster, öppnade dörren igen för en sex år gammal idé om att sätta skyrmioner på jobbet.

Skyrmion lagring

Redan 2013 föreslog en trio av forskare en teoretisk "skyrmion racetrack-minneenhet" i tidskriften Nature Nanotechnology.

Tanken var att de lilla magnetiska mönstren kan erbjuda en lösning på ett grundläggande problem inom datordesign: elförbrukning.

"Om du tänker på en gammaldags hårddisk, som är en slags snurrdisk, tar det mycket kraft," sa Foster.

2013-forskarnas föreslagna lågeffektutbyte skulle dra fördel av det faktum att en mycket liten ström får skyrmioner på en magnetisk yta snabbt.

Kanske, föreslog dessa forskare, om du tog en lång, tunn remsa av magnetiskt material (racerbana) och laddade det med skyrmioner, kan du koda data i magnetmaterialet i mellanrum mellan kvasipartiklarna. En magnetläsare kan tolka ett långt gap mellan skyrmioner som en binär 1 och ett kort gap som en binär 0, till exempel.

För att hämta den lagrade informationen kan en elektrisk ström sedan skjuta skyrmionerna till skottning fram och tillbaka under en magnetläsare. Det kräver väldigt lite kraft att flytta skyrmioner fram och tillbaka längs en magnetisk yta, så att den resulterande anordningen kan vara mycket effektiv.

Men idén hade några grundläggande problem, sa Foster. Medan skyrmioner är ganska stabila, är inte mellanrummen mellan dem. Med tiden skulle brister i magnetremsorna förvirra data när skyrmionerna rörde sig fram och tillbaka.

"Stray magnetfält kommer in. Och det här är som hastighetsbultar som dyker upp och försvinner. Och med de luckor som dyker upp och försvinner, kommer luckorna mellan dina [skyrmions] att ha gått förlorade," sade Foster.

Hur väskor skulle kunna lösa problemet

Det riktigt intressanta här, sade Foster, är att skyrmion-påsar inte tappar antiskyrmions med tiden eller när de passerar över magnetiska "hastighetsbultar."

Lägg en massa skyrmion-påsar på en racerbana-enhet, skrev forskarna i den nya studien, och en dator kunde koda och hämta data baserat på antalet antiskyrmions i varje väska som passerar under läsaren.

"Mina kollegor är verkligen glada över tanken på att du också kan öka datatätheten på detta sätt," sade Foster. [9 siffror som är svalare än Pi]

Där konventionell datorlagring är beroende av endast 1s och 0s, sa han, kunde en skyrmion-väskesystem använda 0s, 1s, 2s, 3s och så vidare. Det skulle öppna dörren till mycket mer komplexa former av datakodning som kan fylla mycket mer information i ett givet utrymme än en traditionell binär metod kan.

Vätskekristalltestet

Ingen har ännu lyckats göra en skyrmionväska på en magnetlist. Men efter att ha testat konceptet med hjälp av datorsimuleringar, vände sig Foster och hans team i Storbritannien till en grupp forskare vid University of Colorado för att föra de första kända skyrmion-väskorna till världen.

Vanligtvis tänker fysiker på skyrmioner som saker som finns i magnetfält. Men partiklarna kan också existera i andra ämnen, som flytande kristaller - inriktade, styva, stavliknande molekyler - som fyller skärmarna på din bärbara dator och vissa mobiltelefoner. [Bilder: Inom världens främsta fysiklaboratorier]

Med exakt "optisk pincett", "University of Colorado team" (leds av experimentalisten Ivan Smalyukh) "drog" skyrmion påsar i flytande kristall, säger Jung-Shen Tai, en doktorand i fysik i labbet.

Dessa skyrmion-påsar förblev outplånliga i det kristallina ämnet och synliga när forskarna tittade på dem genom mikroskop. Det (tillsammans med datorsimuleringen) är ett starkt bevis på att skyrmion-påsar också skulle vara stabila i magneter, sade Foster.

Hittills har ingen rapporterat bygga några verkliga lagringsenheter för racerbana, än mindre lagringsenheter som förlitar sig på skyrmion-väskor. Men sådana enheter kommer, insisterade Foster.

"Jag vet redan att folk arbetar med bidrag för att göra dessa saker," sade han.

• Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature
• De 12 konstigaste objekten i universum
• 7 Konstiga fakta om kvarkar

Ursprungligen publicerad den .