(Phys.org) — Aan het eind van de 19e eeuw, toen wetenschappers nog probeerden te achterhalen wat atomen precies zijn, een van de leidende theorieën, voorgesteld door Lord Kelvin, was dat atomen knopen van wervelende draaikolken in de ether zijn. Hoewel dit idee totaal verkeerd bleek te zijn, het luidde de moderne knooptheorie in, die tegenwoordig wordt gebruikt in verschillende wetenschapsgebieden, zoals vloeistofdynamica, de structuur van DNA, en het concept van chiraliteit.

Nu in een nieuw artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , wiskundig fysicus Paul Sutcliffe van de Durham University in het VK heeft theoretisch aangetoond dat nanodeeltjes, magnetische skyrmionen genaamd, in verschillende soorten knopen met verschillende magnetische eigenschappen kunnen worden gebonden. Hij legt uit dat in zekere zin, deze nanoknopen vertegenwoordigen een "opstanding op nanoschaal van Kelvins droom van geknoopte velden."

Skyrmionen zijn de naam van een algemene klasse van deeltjes die worden gemaakt door een veld te draaien. Als dit veld een magnetisch veld is, de skyrmionen worden magnetische skyrmionen genoemd. Magnetische skyrmionen hebben de laatste tijd veel aandacht getrokken vanwege hun potentiële toepassingen in spintronica, waar elektronenspins (die gerelateerd zijn aan de magnetische eigenschappen van het elektron) worden benut bij het ontwerp van transistors, opslag media, en aanverwante apparaten.

Magnetische skyrmionen werden een paar jaar geleden voor het eerst experimenteel waargenomen, in dunne plakjes magnetische materialen - in feite tweedimensionale materialen. Door aan te tonen dat magnetische skyrmionen theoretisch in knopen kunnen worden gebonden, de nieuwe resultaten verplaatsen deze deeltjes van de tweedimensionale wereld naar de driedimensionale.

"Het belangrijkste punt is dat deze nanoknopen stabiel zijn, omdat velden meestal voorkomen dat ze worden geknoopt door zichzelf los te maken, Sutcliffe vertelde Phys.org .

Sutcliffe toonde aan dat de skyrmion-knopen kunnen worden gekenmerkt door de Hopf-lading, die het aantal keren aangeeft dat de gebogen magnetische lijnen van een skyrmion met elkaar zijn verbonden. Hij toonde aan dat skyrmionen met lage Hopf-ladingen de neiging hebben om ringen te vormen, terwijl die met hogere Hopf-ladingen verbindingen en knopen vormen.

Sutcliffe's onderzoek richt zich op magnetische skyrmionen in een bepaald type magneet genaamd gefrustreerde magneten, die skyrmions een extra rotatievrijheid bieden in vergelijking met andere magnetische materialen. Deze flexibiliteit geeft skyrmions de extra ruimte die nodig is om in knopen te worden gebonden.

Op het moment dat Sutcliffe zijn paper aan het schrijven was, niemand had ooit skyrmionen in gefrustreerde magneten waargenomen. Maar als een bewijs van het hoge tempo van het onderzoek op dit gebied, slechts een paar dagen na deze publicatie rapporteerden onderzoekers uit China de eerste experimentele waarnemingen van skyrmionen in een gefrustreerde magneet (arXiv:1706.05177 [cond-mat.mtrl-sci]).

Dit resultaat markeert een belangrijke stap in de richting van het realiseren van geknoopte magnetische skyrmionen, en de volgende uitdaging zal zijn om een ​​manier te vinden om de skyrmions in knopen te construeren. Recent werk aan skyrmionen heeft gesuggereerd dat deze deeltjes kunnen worden gecontroleerd met behulp van optische vortexbundels, arrays van ferromagnetische nanostaafjes, en andere methoden. Onderzoekers ontwikkelen momenteel ook beeldvormingstechnieken voor skyrmionen, wat essentieel zal zijn voor de identificatie van deze nanoknopen. Nu er bijna dagelijks nieuwe resultaten over skyrmionen worden gerapporteerd, Sutcliffe is optimistisch over de vooruitzichten van het maken van skyrmion-knopen.

"Mijn toekomstige onderzoeksplannen op dit gebied houden zich bezig met het bestuderen van de vorming van deze nanoknopen, om methoden te helpen ontwikkelen en gunstige omstandigheden te suggereren voor experimentatoren om deze structuren te creëren en te observeren, ' zei Sutcliffe.

© 2017 Fys.org