В магнитных полях скрыты призрачные фигуры.
Они не сделаны из вещей, как молния или луч света. Молния несет довольно определенную группу электронов от неба до земли. Солнечный свет, который попадает на ваше лицо, состоит в основном из тех же фотонов, которые прошли миллионы миль от Солнца.
Но магнитные поля содержат вещи, называемые скирмионами, которые отличаются от электронов и фотонов; скирмион - это узел магнитных силовых линий, обвивающихся вокруг друг друга. По мере того, как он перемещается из одного места в другое, скирмион заново появляется из уже существующих линий магнитного поля. Узел держится вместе, потому что линии магнитного поля сопротивляются прохождению друг через друга. Итак, хотя скирмионы несущественны и отличаются от объектов, о которых мы привыкли думать, они действуют как более осязаемые вещи.
Физики называют эти скирмионы «квазичастицами» и подозревают, что они могут объяснить явления столь же несопоставимые, как шаровая молния и ядерная структура атома. Теперь, в новой статье, исследователи показали, что скирмионы можно вставлять друг в друга, принимая совершенно новую форму. Исследователи считают, что эти надутые «скирмионные сумки» сами по себе являются захватывающими объектами, но причудливые вещи могут быть полезны и для футуристических вычислений.
Запихни их в сумку
Команда раскрыла сумки скирмионов в статье, опубликованной 1 апреля в журнале Nature Physics. Результат основан на ключевом сходстве призрачных квазичастиц и твердого вещества: существовании античастиц.
Так же, как у протонов есть антипротоны, которые уничтожают друг друга при контакте друг с другом, у скирмионов есть антискирмионы.
«Антискирмион - это скирмион, где все числа обращены вспять», - сказал Дэвид Фостер, физик из Университета Бирмингема в Англии и один из ведущих авторов нового исследования.
Таким образом, если линия магнитного поля указывает на север в скирмионе, она указывает на юг в антискирмионе. Но антискирмионы и скирмионы сильно отталкивают друг друга. По словам исследователей, это стало ключом к созданию скирмионных сумок.
«Если я возьму скирмион и немного вытяну его, а я возьму антискирмион и расположу его в центре… они не будут уничтожены. Это стабильная конструкция», - сказал Фостер в интервью Live Science.
Более того, как поняли исследователи, после растяжения скирмиона вы можете добавить в него еще больше антискирмионов.
И это осознание, сказал Фостер, снова открыло дверь шестилетней идее о том, чтобы заставить работать скирмионов.
Скирмион для хранения
Еще в 2013 году три исследователя предложили теоретическое «устройство памяти ипподрома скирмиона» в журнале Nature Nanotechnology.
Идея заключалась в том, что небольшие магнитные структуры могут предложить решение основной проблемы в компьютерном дизайне: потребление электроэнергии.
«Если вы подумаете о старомодном жестком диске, который является своего рода вращающимся диском, он потребляет много энергии», - сказал Фостер.
Предложенная исследователями в 2013 году замена малой мощности будет использовать тот факт, что очень маленький ток вызывает быстрое движение скирмионов на магнитной поверхности.
Возможно, эти исследователи предположили, что если вы взяли длинную тонкую полоску магнитного материала (ипподром) и загрузили ее скирмионами, вы могли бы закодировать данные в магнитный материал в промежутках между квазичастицами. Например, магнитный ридер может интерпретировать длинный разрыв между скирмионами как двоичный 1 и короткий разрыв как двоичный 0, например.
Таким образом, чтобы извлечь эти сохраненные данные, электрический ток мог подтолкнуть скирмионов к перемещению назад и вперед под магнитным считывателем. Для перемещения скирмионов назад и вперед вдоль магнитной поверхности требуется очень мало энергии, поэтому полученное устройство может быть очень эффективным.
Но у идеи были некоторые основные проблемы, сказал Фостер. Хотя скирмионы довольно стабильны, промежутки между ними нет. Со временем недостатки магнитных полос запутывают данные, поскольку скирмионы перемещаются взад и вперед.
«Приходят случайные магнитные поля. И это похоже на скачки скорости, которые появляются и исчезают. И с этими пробелами, появляющимися и исчезающими, промежутки между вашей волей были потеряны», - сказал Фостер.
Как сумки могут решить проблему
По словам Фостера, здесь действительно интересно то, что скирмионные мешки не теряют антискирмионов со временем или при прохождении через магнитные «лежачие полицейские».
Исследователи нового исследования написали, что положите кучу сумок скирмионов на устройство для беговой дорожки, и компьютер сможет кодировать и извлекать данные, основываясь на количестве антискирмионов в каждой сумке, которые проходят под считывателем.
«Мои коллеги действительно взволнованы идеей, что таким образом вы также можете увеличить плотность данных», - сказал Фостер.
По его словам, в тех случаях, когда обычное компьютерное хранилище использует только 1 и 0, система скирмионов может использовать 0, 1, 2, 3 и так далее. Это открыло бы двери для гораздо более сложных форм кодирования данных, которые могли бы поместить гораздо больше информации в данное пространство, чем традиционный двоичный метод.
Жидкокристаллический тест
Еще никому не удавалось сделать сумку скирмиона на магнитной полосе. Но после тестирования концепции с использованием компьютерного моделирования, Фостер и его команда в Великобритании обратились к группе исследователей из Университета Колорадо, чтобы принести первые в мире сумки с скирмионами.
Обычно физики думают о скирмионах как о вещах, которые существуют в магнитных полях. Но частицы могут также существовать в других веществах, таких как жидкие кристаллы - ровные, жесткие, стержнеобразные молекулы - которые заполняют экраны вашего ноутбука и некоторых мобильных телефонов.
С помощью прецизионных «оптических пинцетов» команда Университета Колорадо (возглавляемая экспериментатором Иваном Смалюхом) «вытягивала» скирмионные мешки в жидкий кристалл, сказал Юнг-Шен Тай, аспирант-физик в лаборатории.
Эти скирмионные мешки оставались несмываемыми в кристаллическом веществе и были видны, когда исследователи смотрели на них через микроскопы. По словам Фостера, это (наряду с компьютерным моделированием) является убедительным доказательством того, что скирмионные пакеты также будут стабильными в магнитах.
До сих пор никто не сообщал о создании реальных устройств хранения на гоночных трассах, не говоря уже о устройствах хранения данных, использующих скирмионные сумки. Но такие устройства идут, настаивал Фостер.
«Я уже знаю, что люди работают над грантами, чтобы сделать эти вещи», сказал он.
