Fond noué

L'intérêt pour les solitons topologiques remonte au début des années 1800, lorsque le mathématicien Carl Friedrich Gauss a suggéré que les lignes de champs magnétiques et électriques forment des nœuds 3-D qui pourraient se comporter comme des particules. Plus tard, Lord Kelvin et d'autres considéraient les tourbillons noués comme l'un des premiers modèles de l'atome, dans lequel les propriétés des nœuds pourraient expliquer les propriétés chimiques des différents éléments.

Actuellement, de nombreux modèles en physique et en cosmologie impliquent des solitons topologiques, par exemple, modèles de systèmes de matière condensée, particules élémentaires, monopôles magnétiques, et des particules magnétiques appelées skyrmions qui jouent un rôle dans le domaine émergent de la spintronique.

Que sont exactement les solitons topologiques ? Si vous prenez deux anneaux circulaires ou plus, reliez-les ensemble pour faire une chaîne, puis déformer les anneaux en les tordant et en tirant dessus comme s'ils étaient en mastic, et enfin intégrer toute la structure dans une surface de fond, le résultat ressemblerait à un soliton topologique. Décrire ces objets de manière plus précise nécessite de les définir comme des objets à quatre dimensions appelés « trois sphères, " puis en convertissant ces objets en quatre dimensions en objets en trois dimensions à l'aide d'une technique mathématique appelée mappage de Hopf. Ce sont ces objets en 3D, appelé "préimages, " qui sont les anneaux liés montrés dans les représentations visuelles.

L'une des raisons pour lesquelles les solitons topologiques sont si difficiles à réaliser expérimentalement est qu'ils correspondent à l'état d'énergie le plus bas d'un système physique afin d'être stables. Pour cette raison, elles n'ont été démontrées que sous forme de structures transitoires dans les cristaux liquides. Il est également possible que des solitons topologiques existent dans un autre milieu, ferroaimants chiraux, mais le manque de techniques expérimentales d'imagerie empêche les chercheurs de les observer.

Noeuds glacés

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont développé une méthode pour "geler" des solitons topologiques dans un film solide de cristaux liquides nématiques chiraux grâce à un processus de polymérisation impliquant de faibles niveaux de lumière ultraviolette, ainsi que le chauffage et le refroidissement. Pour permettre à l'expérience d'être largement accessible, les chercheurs ont utilisé des cristaux liquides disponibles dans le commerce, auxquels ils ont ajouté des dopants chiraux. En utilisant des pincettes optiques pour générer et manipuler des motifs dans les cristaux liquides précongelés, les chercheurs pourraient également contrôler les types de solitons topologiques fabriqués.

Une fois les solitons topologiques congelés dans les cristaux liquides, les chercheurs peuvent les étudier à l'aide d'un microscope optique, en particulier, un microscope polarisant à fluorescence à excitation à trois photons, qui produit un signal optique qui peut être utilisé pour construire des images 3-D des solitons.

Dans la deuxième partie de leur étude, les chercheurs ont montré comment ces données pouvaient ensuite être utilisées pour faire des simulations numériques correspondant aux structures physiques très complexes. Ce processus est basé sur l'analyse des motifs de torsion énergétiquement favorables qui minimisent l'énergie libre élastique des cristaux liquides. Essentiellement, ce processus de conversion des structures expérimentales (pré-images) en modèles numériques est analogue au mappage mathématique de Hopf d'objets 3-D (pré-images) en quatre dimensions.

Applications potentielles

La capacité à générer des solitons topologiques de longue durée ouvre également les portes à des applications potentielles. Une idée est de tirer parti du fait que différents solitons topologiques ont des propriétés optiques distinctes, qui pourraient être utilisés dans des dispositifs optiques qui déphasent la lumière, ainsi qu'en pixels pour les écrans optiques. En outre, si les solitons topologiques identifiés ici dans les cristaux liquides existent aussi dans les ferroaimants solides, les chercheurs s'attendent à ce qu'ils puissent potentiellement révolutionner le domaine de la skyrmionique, dans lequel les skyrmions pourraient être utilisés pour construire des dispositifs magnétiques, tels que le stockage de données et la logique.

"La grande variété de solitons topologiques localisés stables à long terme, combiné avec les propriétés électro-optiques uniques du milieu hôte à cristaux liquides, conduira inévitablement à des applications technologiques, tels que les dispositifs électro-optiques et les affichages d'informations bistables, " Ackerman a déclaré. " Un large éventail de nouvelles opportunités émergent également du côté fondamental, où notre groupe de recherche travaillera pour établir comment différents solitons topologiques peuvent se transformer les uns en autres et aussi comment les solitons avec de grandes valeurs d'indice de Hopf peuvent être réalisés expérimentalement."

Globalement, l'un des plus grands avantages de la nouvelle méthode est qu'elle offre une approche beaucoup plus complète, analyse détaillée des préimages solitons topologiques que les autres méthodes de construction. Par conséquent, la nouvelle méthode découvre de petits détails dans la topologie qui pourraient facilement être manqués autrement, telles que des différences subtiles entre des structures très similaires qui auraient pu être confondues avec la même structure. Les résultats montrent que les solitons topologiques sont plus complexes et diversifiés que les preuves précédentes pourraient le montrer, et indiquent que beaucoup d'autres de ces structures attendent toujours d'être découvertes.

"Un nombre infiniment grand de solitons topologiques peut potentiellement exister, en particulier lorsque l'on considère différents systèmes physiques, " a déclaré Smalyukh.

© 2017 Phys.org