(Phys.org) - I slutet av 1800 -talet när forskare fortfarande försökte ta reda på vad exakt atomer är, en av de ledande teorierna, föreslagen av Lord Kelvin, var att atomer är knutar av virvlande virvlar i etern. Även om denna idé visade sig vara helt fel, det inledde modern knutteori, som idag används inom olika vetenskapsområden såsom vätskedynamik, strukturen av DNA, och begreppet kiralitet.

Nu i en ny artikel publicerad i Fysiska granskningsbrev , matematisk fysiker Paul Sutcliffe vid Durham University i Storbritannien har teoretiskt visat att nanopartiklar som kallas magnetiska skyrmions kan knytas till olika typer av knutar med olika magnetiska egenskaper. Han förklarar att på sätt och vis, dessa nanoknoter representerar en "nanoskala uppståndelse av Kelvins dröm om knutna fält".

Skyrmions är namnet på en allmän klass av partiklar som är gjorda genom att vrida ett fält. När detta fält är ett magnetfält, skyrmionerna kallas magnetiska skyrmions. Magnetiska skyrmions har väckt stor uppmärksamhet nyligen på grund av deras potentiella tillämpningar inom spintronics, där elektronspinn (som är relaterade till elektronens magnetiska egenskaper) utnyttjas vid konstruktion av transistorer, förvarings media, och relaterade enheter.

Magnetiska skyrmions observerades experimentellt för första gången för några år sedan, i tunna skivor av magnetiska material-i grunden tvådimensionella material. Genom att visa att magnetiska skyrmions teoretiskt sett kan knytas till knutar, de nya resultaten flyttar dessa partiklar från den tvådimensionella världen till den tredimensionella.

"Den viktigaste punkten är att dessa nanoknoter är stabila, för vanligtvis undviker fält att knytas genom att lossa sig själva, "Berättade Sutcliffe Phys.org .

Sutcliffe visade att skyrmionknutarna kan kännetecknas av Hopf -laddningen, vilket anger antalet gånger som en skyrmions krökta magnetlinjer är länkade till varandra. Han visade att skyrmions med låga Hopf -laddningar tenderar att bilda ringar, medan de med högre Hopf -avgifter bildar länkar och knutar.

Sutcliffes undersökning fokuserar på magnetiska skyrmions i en viss typ av magnet som kallas frustrerade magneter, som erbjuder skyrmions en ytterligare rotationsgrad av frihet jämfört med andra magnetiska material. Denna flexibilitet ger skyrmions det extra rummet som behövs för att knytas till knutar.

Vid den tiden Sutcliffe skrev sitt papper, ingen hade någonsin observerat skyrmions i frustrerade magneter. Men som ett bevis på den snabba forskningstakten på detta område, bara några dagar efter denna publikation rapporterade forskare från Kina de första experimentella observationerna av skyrmions i en frustrerad magnet (arXiv:1706.05177 [cond-mat.mtrl-sci]).

Detta resultat markerar ett viktigt steg mot att förverkliga knutna magnetiska skyrmions, och nästa utmaning blir att hitta ett sätt att konstruera skyrmionerna till knop. Det senaste arbetet med skyrmions har föreslagit att dessa partiklar kan kontrolleras med hjälp av optiska virvelstrålar, matriser av ferromagnetiska nanoroder, och andra metoder. Forskare utvecklar också för närvarande bildteknik för skyrmions, vilket kommer att vara avgörande för identifiering av dessa nanoknoter. Med nya resultat om skyrmions som rapporteras nästan dagligen, Sutcliffe är optimistisk med tanke på möjligheterna att skapa skyrmionknutar.

"Mina framtida forskningsplaner på detta område handlar om att studera bildandet av dessa nanoknoter, för att hjälpa till att utveckla metoder och föreslå gynnsamma förutsättningar för experimentister att skapa och observera dessa strukturer, "Sa Sutcliffe.

© 2017 Phys.org