(Phys.org)—Fysiker har upptäckt att dussintals 3D-knutna strukturer som kallas "topologiska solitoner, "som har varit experimentellt svårfångade i hundratals år, kan skapas och frysas under långa tidsperioder i flytande kristaller som de som används i elektroniska displayer. Tills nu, topologiska solitoner har bara realiserats i ett fåtal experiment, och under så kort tid att det varit omöjligt att studera dem i någon detalj.

De nya resultaten kan ändra allt detta, eftersom de tillhandahåller ett sätt att producera en stor mångfald av långvariga topologiska solitoner som kan studeras med mikroskop och, kanske en dag, spelar en roll i nya optiska och elektriska tillämpningar.

Forskarna, Paul J. Ackerman och Ivan I. Smalyukh vid University of Colorado, Flyttblock, har publicerat en artikel om experimentell förverkligande av topologiska solitoner i ett färskt nummer av Fysisk granskning X .

"Vårt arbete etablerar experimentella och numeriska metoder för detaljerade studier av 3-D topologiska solitoner, med den stora fördelen att möjliggöra en direkt jämförelse mellan experimentella och teoretiska resultat och med en potentiell inverkan på många grenar av fysiken och det matematiska topologiområdet, " berättade Smalyukh Phys.org . "Vårt arbete demonstrerar inte bara experimentellt 3-D topologiska solitoner som matematiker och teoretiska fysiker föreställt sig tidigare, men avslöjar också en serie solitoniska strukturer som inte har förutsetts."

Knuten bakgrund

Intresset för topologiska solitoner går tillbaka till tidigt 1800-tal, när matematikern Carl Friedrich Gauss föreslog att linjerna i magnetiska och elektriska fält bildar 3D-knutar som kan bete sig som partiklar. Senare, Lord Kelvin och andra betraktade knutna virvlar som en tidig modell av atomen, där knutarnas egenskaper skulle kunna förklara de olika grundämnenas kemiska egenskaper.

För närvarande, många modeller inom fysik och kosmologi involverar topologiska solitoner - till exempel, modeller av system för kondenserad materia, elementarpartiklar, magnetiska monopoler, och magnetiska partiklar som kallas skyrmioner som spelar en roll i det framväxande området för spintronik.

Vad exakt är topologiska solitoner? Om du tar två eller flera cirkulära ringar, länka ihop dem för att skapa en kedja, förvräng sedan ringarna genom att vrida och dra i dem som om de var gjorda av kitt, och slutligen bädda in hela strukturen i en bakgrundsyta, resultatet skulle se ut som en topologisk soliton. Att beskriva dessa objekt mer exakt kräver att de definieras som fyrdimensionella objekt som kallas "tre-sfärer, " och sedan konvertera dessa fyrdimensionella objekt till tredimensionella objekt med hjälp av en matematisk teknik som kallas Hopf-mappning. Det är dessa 3D-objekt, kallas "förbilder, " som är de länkade ringarna som visas i visuella representationer.

En av anledningarna till att topologiska solitoner är så svåra att experimentellt realisera är att de motsvarar ett fysiskt systems lägsta energitillstånd för att vara stabila. Av denna anledning, de har endast visats som övergående strukturer i flytande kristaller. Det är också möjligt att topologiska solitoner kan existera i ett annat medium, kirala ferromagneter, men brist på experimentella bildtekniker hindrar forskare från att observera dem.

Frysande knutar

I den nya studien, forskarna utvecklade en metod för att "frysa" topologiska solitoner i en fast film av kirala nematiska flytande kristaller genom en polymerisationsprocess som involverar låga nivåer av ultraviolett ljus, tillsammans med uppvärmning och kylning. För att experimentet ska vara brett tillgängligt, forskarna använde kommersiellt tillgängliga flytande kristaller, till vilka de tillsatte kirala dopämnen. Använda en optisk pincett för att generera och manipulera mönster i de förfrysta flytande kristallerna, forskarna kunde också kontrollera vilka typer av topologiska solitoner som tillverkas.

Efter att de topologiska solitonerna har frysts in i de flytande kristallerna, forskarna kan studera dem med hjälp av ett optiskt mikroskop – specifikt, ett tre-foton excitationsfluorescenspolariserande mikroskop, som producerar en optisk signal som kan användas för att konstruera 3-D-bilder av solitonerna.

I den andra delen av sin studie, forskarna visade hur dessa data sedan kunde användas för att göra numeriska simuleringar som motsvarar de mycket komplexa fysiska strukturerna. Denna process bygger på att analysera de energetiskt gynnsamma vridningsmönstren som minimerar de flytande kristallernas elastiska fria energi. Väsentligen, denna process att omvandla de experimentella strukturerna (förbilder) till numeriska modeller är analog med den matematiska Hopf-kartläggningen av 3-D-objekt (förbilder) till fyra dimensioner.

Potentiella applikationer

Möjligheten att generera långvariga topologiska solitoner öppnar också dörrarna till potentiella applikationer. En idé är att dra fördel av det faktum att olika topologiska solitoner har distinkta optiska egenskaper, som skulle kunna användas i optiska enheter som förskjuter ljusets fas, samt i pixlar för optiska skärmar. Dessutom, om de topologiska solitonerna som identifieras här i flytande kristaller också finns i fasta ferromagneter, forskarna förväntar sig att de potentiellt skulle kunna revolutionera skyrmionikområdet, där skyrmioner kan användas för att konstruera magnetiska enheter, såsom datalagring och logik.

"Det stora utbudet av lokaliserade långtidsstabila topologiska solitoner, kombinerat med de unika elektrooptiska egenskaperna hos värdmediet med flytande kristaller, kommer oundvikligen att leda till tekniska tillämpningar, såsom elektrooptiska enheter och bistabila informationsskärmar, "Ackerman sa. "Ett brett spektrum av nya möjligheter dyker också upp på den grundläggande sidan, där vår forskargrupp kommer att arbeta för att fastställa hur olika topologiska solitoner kan omvandla en till en annan och även hur solitonerna med stora Hopf-indexvärden kan realiseras experimentellt."

Övergripande, en av de största fördelarna med den nya metoden är att den ger en mycket mer omfattande, detaljerad analys av topologiska solitonförbilder än andra konstruktionsmetoder. Som ett resultat, den nya metoden avslöjar små detaljer i topologin som lätt skulle kunna missas annars, som subtila skillnader mellan mycket lika strukturer som kunde ha misstagits vara samma struktur. Resultaten visar att topologiska solitoner är mer komplexa och mångfaldiga än vad tidigare bevis kunde visa, och indikerar att många fler av dessa strukturer fortfarande väntar på att bli upptäckta.

"Ett oändligt stort antal topologiska solitoner kan potentiellt existera, speciellt när man överväger olika fysiska system, " sa Smalyukh.

© 2017 Phys.org