Μια νέα μέθοδος που χρησιμοποιεί το φως, τη θερμότητα και τα ηλεκτρικά πεδία επιτρέπει πλέον στους επιστήμονες να δημιουργούν χρήσιμες δομές σε μαγνητικά υλικά με πρωτοφανή έλεγχο.
Η έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters, υπόσχεται πιο ενεργειακά αποδοτικές και ευέλικτες τεχνολογίες για την αποθήκευση δεδομένων και τις οπτικές συσκευές.
Κρύσταλλοι: Έλεγχος στροβιλιζόμενων δομών σε μαγνητικά υλικά
Στο πλαίσιο της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης, οι ερευνητές μελετούν πώς οι μακροσκοπικές ιδιότητες προκύπτουν από τις αλληλεπιδράσεις μικροσκοπικών σωματιδίων. Στα μαγνητικά υλικά, τα σκυρμιόνια -νανοκλίμακας, τοπολογικά σταθερές στροβιλιζόμενες δομές- εμφανίζονται υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Παρόλο που έχουν παρατηρηθεί σε μαγνήτες, υπεραγωγούς και υγρούς κρυστάλλους, η δημιουργία τους είναι συχνά τυχαία ή απαιτεί ακραίες συνθήκες.
«Η δημιουργία ενός τοπολογικού αντικειμένου από μια βασική κατάσταση χωρίς χαρακτηριστικά απαιτεί εξωτερικά πεδία για την υπέρβαση ενός αποκλίνοντος ενεργειακού φραγμού, καθιστώντας τη δημιουργία τους είτε στοχαστική (απαιτώντας θερμική τύχη) είτε υπερβολικά βίαιη (απαιτώντας λέιζερ femtosecond)», αναφέρουν οι συγγραφείς της μελέτης. Οι υγροί κρύσταλλοι (LCs) αναδύονται ως ένας πολλά υποσχόμενος υποψήφιος για τον έλεγχο των σκυρμιονίων, καθώς επιτρέπουν μια πιο ντετερμινιστική και αναστρέψιμη διαδικασία δημιουργίας.
Σκυρμιόνια κατά παραγγελία σε υγρούς κρυστάλλους
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μικρορευστοκύτταρα νηματικών υγρών κρυστάλλων, συσκευές μικροκλίμακας που περιορίζουν τα μόρια των κρυστάλλων σε κανάλια για τον έλεγχο της ευθυγράμμισής τους. Αυτό επέτρεψε την εφαρμογή γραμμικά πολωμένου φωτός, ηλεκτρικών πεδίων ή τοπικής θέρμανσης για την πρόκληση τοπολογικών μεταπτώσεων. Ρυθμίζοντας συγκεκριμένες παραμέτρους, η ομάδα κατάφερε να μειώσει το ενεργειακό φράγμα για τη δημιουργία σκυρμιονίων στο υλικό.
Τα πειράματα έδειξαν ότι οι βρόχοι σκυρμιονίων μπορούν να δημιουργηθούν σε θερμοκρασία δωματίου και με τις τρεις εισόδους. Η διαδικασία περιλαμβάνει μια απότομη τοπολογική μετάβαση, που χαρακτηρίζεται από μια συστροφή 2π και πτώση της ενέργειας. Κατά τη διαδικασία δημιουργούνται επίσης ζεύγη τοπολογικών μονοπόλων που κινούνται για να ελαχιστοποιήσουν την ενέργεια, επιτρέποντας τον χαμηλής ενέργειας χειρισμό τρισδιάστατων τοπολογικών υφών.
Μια υποσχόμενη οδός για αναδιαμορφώσιμες συσκευές
Η ικανότητα ελέγχου της δημιουργίας και της εξάλειψης των σκυρμιονίων αποτελεί σημαντικό βήμα για τεχνολογίες που απαιτούν υπέρβαση των περιορισμών ενέργειας και κλίμακας. Για παράδειγμα, στη μνήμη racetrack υψηλής πυκνότητας, ο έλεγχος των σκυρμιονίων επιτρέπει την πιο ενεργειακά αποδοτική εγγραφή και διαγραφή δεδομένων. Η ομάδα σημειώνει επίσης εφαρμογές στα μεταϋλικά.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, η εργασία αυτή έχει ευρύτερες επιπτώσεις πέρα από την επιστήμη των υγρών κρυστάλλων. Θα μπορούσε να αξιοποιήσει τη δυναμική των μονοπόλων ως «τοπολογικά προστατευμένα bits» που κινούνται κατά μήκος αναδιαμορφώσιμων διαδρομών. Επιπλέον, λόγω της οπτικής διπλοθλαστικότητας του πεδίου, κάθε τοπολογική μετάβαση αποτυπώνει ένα μεταβατικό φράγμα φάσης, προσφέροντας ένα μοντέλο για την εξερεύνηση της αναδιαμορφώσιμης τοπολογικής φωτονικής και των σχημάτων κωδικοποίησης πληροφοριών.
