Ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο Waseda της Ιαπωνίας έδειξε ότι τα μαγνητικά σκιρμιόνια μπορούν να εμφανίσουν ασύμμετρη θερμική διάχυση σε ένα δομημένο περιβάλλον.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό npj Spintronics υπό την καθοδηγηση του καθηγητή Masahito Mochizuki και του αναπληρωτή καθηγητή Xichao Zhang. Τα ευρήματα αυτά εισάγουν μια νέα αρχή για τον έλεγχο της θερμικής διάχυσης μέσω τοπολογίας και γεωμετρίας.
Η λειτουργία της έκκεντρης πύλης
Οι ερευνητές σχεδίασαν ένα θεωρητικό μοντέλο με σκυρμιόνια τύπου Néel εγκλωβισμένα σε λεπτό μαγνητικό φιλμ, το οποίο αποτελείται από δύο θαλάμους που συνδέονται μέσω μιας στενής, έκκεντρης ασύμμετρης πύλης.
Παρά τη θερμικά επαγόμενη τυχαία κίνηση των σκιρμιονίων, η γεωμετρία της πύλης προκάλεσε σαφή κατευθυντική ανισορροπία. Τα μόρια που ξεκίνησαν από τον αριστερό θάλαμο είχαν μεγαλύτερη πιθανότητα να περάσουν την πύλη σε σχέση με εκείνα που πλησίαζαν από την αντίθετη πλευρά.
Ο μηχανισμός της τοπολογικής αλληλεπίδρασης
Η ασυμμετρία δεν οφείλεται απλώς στο σχήμα της πύλης, αλλά στην αλληλεπίδραση της τοπολογίας των σκιρμιονίων με τα τοιχώματα. Όταν ένα σκυρμιόνιο πλησιάζει ένα τοίχωμα, δέχεται απωστική δύναμη που το οδηγεί σε Brownian γυροσκοπική κίνηση.
Επειδή η έκκεντρη πύλη εκθέτει το σκιρμιόνιο σε διαφορετικά τμήματα του τοιχώματος ανάλογα με την κατεύθυνση προσέγγισης, η παραγόμενη κίνηση ευνοεί τη μία κατεύθυνση διέλευσης. Αντίθετα, μια συμμετρική πύλη στο κέντρο παράγει σχεδόν ισοδύναμη διάχυση και από τις δύο πλευρές.
Προοπτικές για την υπολογιστική τεχνολογία
Η μελέτη έδειξε επίσης ότι η ασυμμετρία εξαρτάται άμεσα από το πλάτος της πύλης και τη πυκνότητα των σκυρμιονίων. Μια πολύ ευρεία πύλη επιτρέπει τη διέλευση όλων των σκυρμιονίων, ενώ μια πολύ στενή την εμποδίζει πλήρως.
Τα ευρήματα αυτά ξεπερνούν τη συμπεριφορά των συμβατικών σωματιδίων και ανοίγουν νέους δρόμους στη στατιστική μηχανική εκτός ισορροπίας. Παράλληλα, θέτουν τις βάσεις για νέες πλατφόρμες φυσικής υπολογιστικής και συστήματα τεχνητής νοημοσύνης, όπου η τυχαιότητα, η γεωμετρία και η τοπολογία συνεργάζονται για την επεξεργασία πληροφοριών.