(Phys.org) - À la fin des années 1800, lorsque les scientifiques essayaient encore de comprendre ce que sont exactement les atomes, l'une des principales théories, proposé par Lord Kelvin, était que les atomes sont des nœuds de tourbillons tourbillonnants dans l'éther. Bien que cette idée se soit avérée complètement fausse, il a inauguré la théorie moderne des nœuds, qui est aujourd'hui utilisé dans divers domaines de la science tels que la dynamique des fluides, la structure de l'ADN, et le concept de chiralité.

Maintenant dans un nouvel article publié dans Lettres d'examen physique , Le physicien mathématicien Paul Sutcliffe de l'Université de Durham au Royaume-Uni a théoriquement montré que des nanoparticules appelées skyrmions magnétiques peuvent être liées dans divers types de nœuds avec différentes propriétés magnétiques. Il explique que, en un sens, ces nanonœuds représentent une "résurrection à l'échelle nanométrique du rêve de Kelvin de champs noués".

Les skyrmions sont le nom d'une classe générale de particules qui sont fabriquées en tordant un champ. Lorsque ce champ est un champ magnétique, les skyrmions sont appelés skyrmions magnétiques. Les skyrmions magnétiques ont récemment attiré beaucoup d'attention en raison de leurs applications potentielles en spintronique, où les spins des électrons (qui sont liés aux propriétés magnétiques de l'électron) sont exploités dans la conception des transistors, supports de stockage, et appareils associés.

Des skyrmions magnétiques ont été observés expérimentalement pour la première fois il y a quelques années, dans de fines tranches de matériaux magnétiques, essentiellement des matériaux bidimensionnels. En montrant que les skyrmions magnétiques peuvent théoriquement être liés en nœuds, les nouveaux résultats font passer ces particules du monde bidimensionnel au monde tridimensionnel.

"Le point le plus important est que ces nanonœuds sont stables, car généralement les champs évitent d'être noués en se dénouant, " Sutcliffe a dit Phys.org .

Sutcliffe a montré que les nœuds du skyrmion peuvent être caractérisés par la charge de Hopf, qui indique le nombre de fois que les lignes magnétiques courbes d'un skyrmion sont liées les unes aux autres. Il a montré que les skyrmions avec de faibles charges de Hopf ont tendance à former des anneaux, tandis que ceux avec des charges de Hopf plus élevées forment des liens et des nœuds.

L'enquête de Sutcliffe se concentre sur les skyrmions magnétiques dans un type particulier d'aimant appelé aimants frustrés, qui offrent aux skyrmions un degré de liberté de rotation supplémentaire par rapport aux autres matériaux magnétiques. Cette flexibilité donne aux skyrmions l'espace supplémentaire nécessaire pour faire des nœuds.

Au moment où Sutcliffe écrivait son article, personne n'avait jamais observé de skyrmions dans des aimants frustrés. Mais pour témoigner du rythme rapide de la recherche dans ce domaine, quelques jours seulement après cette publication, des chercheurs chinois ont rapporté les premières observations expérimentales de skyrmions dans un aimant frustré (arXiv:1706.05177 [cond-mat.mtrl-sci]).

Ce résultat marque une étape importante vers la réalisation de skyrmions magnétiques noués, et le prochain défi sera de trouver un moyen de transformer les skyrmions en nœuds. Des travaux récents sur les skyrmions ont suggéré que ces particules peuvent être contrôlées à l'aide de faisceaux vortex optiques, des réseaux de nanotiges ferromagnétiques, et d'autres méthodes. Les chercheurs développent également actuellement des techniques d'imagerie pour les skyrmions, ce qui sera essentiel pour l'identification de ces nanonœuds. Avec de nouveaux résultats sur skyrmions rapportés presque quotidiennement, Sutcliffe est optimiste quant aux perspectives de création de nœuds skyrmions.

« Mes futurs projets de recherche dans ce domaine concernent l'étude de la formation de ces nanonoeuds, aider à développer des méthodes et proposer des conditions favorables aux expérimentateurs pour créer et observer ces structures, " a déclaré Sutcliffe.

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