(Phys.org)—I fisici hanno scoperto che dozzine di strutture annodate 3D chiamate " solitoni topologici, " che sono rimasti sperimentalmente sfuggenti per centinaia di anni, possono essere creati e congelati per lunghi periodi di tempo in cristalli liquidi come quelli utilizzati nei display elettronici. Fino ad ora, solitoni topologici sono stati realizzati solo in pochi esperimenti, e per così poco tempo che è stato impossibile studiarli in ogni dettaglio.

I nuovi risultati potrebbero cambiare tutto questo, in quanto forniscono un modo per produrre un'ampia varietà di solitoni topologici di lunga durata che possono essere studiati con microscopi e, forse un giorno, svolgono un ruolo in nuove applicazioni ottiche ed elettriche.

I ricercatori, Paul J. Ackerman e Ivan I. Smalyukh presso l'Università del Colorado, Masso, hanno pubblicato un articolo sulla realizzazione sperimentale di solitoni topologici in un recente numero di Revisione fisica X .

"Il nostro lavoro stabilisce approcci sperimentali e numerici per studi dettagliati di solitoni topologici 3D, con il grande vantaggio di consentire un confronto diretto tra risultati sperimentali e teorici e con un potenziale impatto su molte branche della fisica e del campo matematico della topologia, " Smalyukh ha detto Phys.org . "Il nostro lavoro non solo dimostra sperimentalmente solitoni topologici 3-D che matematici e fisici teorici avevano previsto in precedenza, ma rivela anche una serie di strutture solitoniche che non sono state previste".

Sfondo annodato

L'interesse per i solitoni topologici risale agli inizi del 1800, quando il matematico Carl Friedrich Gauss suggerì che le linee dei campi magnetici ed elettrici formano nodi tridimensionali che potrebbero comportarsi come particelle. Dopo, Lord Kelvin e altri consideravano i vortici annodati come uno dei primi modelli dell'atomo, in cui le proprietà dei nodi potrebbero spiegare le proprietà chimiche dei diversi elementi.

Attualmente, molti modelli in fisica e cosmologia coinvolgono solitoni topologici, ad esempio, modelli di sistemi di materia condensata, particelle elementari, monopoli magnetici, e particelle magnetiche chiamate skyrmioni che giocano un ruolo nel campo emergente della spintronica.

Cosa sono esattamente i solitoni topologici? Se prendi due o più anelli circolari, collegarli insieme per fare una catena, quindi distorcere gli anelli torcendoli e tirandoli come se fossero fatti di mastice, e infine incorporare l'intera struttura in una superficie di sfondo, il risultato sembrerebbe un solitone topologico. Descrivere questi oggetti in modo più dettagliato richiede di definirli come oggetti quadridimensionali chiamati "tre sfere, " e poi convertire questi oggetti quadridimensionali in oggetti tridimensionali usando una tecnica matematica chiamata mappatura Hopf. Sono questi oggetti 3D, chiamato "preimmagini, " che sono gli anelli collegati mostrati nelle rappresentazioni visive.

Uno dei motivi per cui i solitoni topologici sono così difficili da realizzare sperimentalmente è che corrispondono allo stato energetico più basso di un sistema fisico per essere stabili. Per questa ragione, sono stati dimostrati solo come strutture transitorie nei cristalli liquidi. È anche possibile che i solitoni topologici esistano in un altro mezzo, ferromagneti chirali, ma la mancanza di tecniche di imaging sperimentale impedisce ai ricercatori di osservarle.

Nodi congelanti

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno sviluppato un metodo per "congelare" i solitoni topologici in un film solido di cristalli liquidi nematici chirali attraverso un processo di polimerizzazione che coinvolge bassi livelli di luce ultravioletta, insieme a riscaldamento e raffrescamento. Per consentire all'esperimento di essere ampiamente accessibile, i ricercatori hanno utilizzato cristalli liquidi disponibili in commercio, a cui hanno aggiunto droganti chirali. Utilizzando pinzette ottiche per generare e manipolare modelli nei cristalli liquidi precongelati, i ricercatori potrebbero anche controllare i tipi di solitoni topologici realizzati.

Dopo che i solitoni topologici sono stati congelati nei cristalli liquidi, i ricercatori possono studiarli utilizzando un microscopio ottico, in particolare, un microscopio polarizzatore a fluorescenza ad eccitazione a tre fotoni, che produce un segnale ottico che può essere utilizzato per costruire immagini 3-D dei solitoni.

Nella seconda parte del loro studio, i ricercatori hanno mostrato come questi dati potrebbero poi essere usati per fare simulazioni numeriche corrispondenti alle strutture fisiche altamente complesse. Questo processo si basa sull'analisi dei modelli di torsione energeticamente favorevoli che riducono al minimo l'energia libera elastica dei cristalli liquidi. Essenzialmente, questo processo di conversione delle strutture sperimentali (preimmagini) in modelli numerici è analogo alla mappatura matematica Hopf di oggetti 3-D (preimmagini) a quattro dimensioni.

Potenziali applicazioni

La capacità di generare solitoni topologici di lunga durata apre anche le porte a potenziali applicazioni. Un'idea è sfruttare il fatto che diversi solitoni topologici hanno proprietà ottiche distinte, che potrebbe essere utilizzato in dispositivi ottici che spostano la fase della luce, così come in pixel per display ottici. Inoltre, se i solitoni topologici qui identificati nei cristalli liquidi esistono anche nei ferromagneti solidi, i ricercatori si aspettano di poter potenzialmente rivoluzionare il campo della skyrmionica, in cui gli skyrmioni potevano essere usati per costruire dispositivi magnetici, come l'archiviazione dei dati e la logica.

"La grande varietà di solitoni topologici stabili a lungo termine, combinato con le proprietà elettro-ottiche uniche del mezzo ospite a cristalli liquidi, porterà inevitabilmente ad applicazioni tecnologiche, come dispositivi elettro-ottici e display informativi bistabili, " Ha detto Ackerman. "Un ampio spettro di nuove opportunità emergono anche dal lato fondamentale, dove il nostro gruppo di ricerca lavorerà per stabilire come diversi solitoni topologici possono trasformarsi l'uno nell'altro e anche come i solitoni con grandi valori di indice di Hopf possono essere realizzati sperimentalmente."

Globale, uno dei maggiori vantaggi del nuovo metodo è che fornisce un servizio molto più completo, analisi dettagliata delle preimmagini topografiche solitoniche rispetto ad altri metodi di costruzione. Di conseguenza, il nuovo metodo scopre piccoli dettagli nella topologia che altrimenti potrebbero facilmente sfuggire, come sottili differenze tra strutture molto simili che avrebbero potuto essere scambiate per la stessa struttura. I risultati mostrano che i solitoni topologici sono più complessi e diversi di quanto potrebbero dimostrare le prove precedenti, e indicano che molte altre di queste strutture sono ancora in attesa di essere scoperte.

"Potrebbe esistere un numero infinitamente grande di solitoni topologici, soprattutto quando si considerano diversi sistemi fisici, " ha detto Smalyukh.

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