Det er spøkelsesaktige former skjult i magnetfelt.
De er ikke laget av ting slik en lyn eller en lysstråle er. En lysbolt bærer en ganske definert gruppe elektroner fra himmelen helt til bakken. Solskinn som treffer ansiktet ditt består stort sett av de samme fotonene som reiste millioner av miles fra solen.
Men magnetfelt inneholder ting som heter skyrmions som er forskjellige fra elektroner og fotoner; en skyrmion er en knute av magnetfeltlinjer som løkker rundt hverandre. Når den skyver fra det ene stedet til det neste, gjør en skyrmion seg ny ut av magnetfeltlinjene som allerede er der. Knuten holder sammen fordi magnetfeltlinjer motstår å passere gjennom hverandre. Så mens skyrmions er uvæsentlige og forskjellige fra gjenstander vi er vant til å tenke på, fungerer de som mer håndgripelige ting.
Fysikere kaller disse skyrmionene for "kvasipartikler", og mistenker at de kunne forklare fenomener så forskjellige som ballnedslag og atomens struktur. Nå, i en ny artikkel, viste forskere at skyrmions kan stappes inni hverandre, og får en helt ny form. Disse oppblåste "skyrmion-posene" er fascinerende gjenstander i seg selv, men de bisarre tingene kan også være nyttige for futuristisk databehandling, sa forskerne.
Stikk dem i en pose
Teamet avslørte skyrmion-posene i et papir publisert 1. april i tidsskriftet Nature Physics. Resultatet er avhengig av en sentral likhet mellom de spøkelsesaktige kvasipartiklene og fast stoff: eksistensen av antipartikler.
Akkurat som protoner har motstykke antiprotoner som ødelegger hverandre ved kontakt med hverandre, har skyrmions antiskyrmions.
"En antiskyrmion er en skyrmion der alle tallene er omgjort," sa David Foster, fysiker ved University of Birmingham i England og en av hovedforfatterne av den nye studien.
Så hvis en magnetfeltlinje peker nordover i en skyrmion, vil den peke sørover i en antiskyrmion. Men antiskyrmions og skyrmions avviser hverandre kraftig. Det viste seg å være nøkkelen til å bygge skyrmion-vesker, sa forskerne.
"Hvis jeg tar en skyrmion og jeg strekker den litt ut, og jeg tar en antiskyrmion og plasserer den i midten av den ... de vil ikke utslette. Det er en stabil konstruksjon," sa Foster til Live Science.
Når mer en skyrmion har blitt strukket, kan du tette enda flere antiskyrmions inne i den.
Og den erkjennelsen, sa Foster, åpnet døren for en seks år gammel idé om å sette skyrmions i arbeid.
Skyrmion lagring
Tilbake i 2013 foreslo en trio av forskere en teoretisk "skyrmion racetrack memory device" i tidsskriftet Nature Nanotechnology.
Tanken var at de små magnetiske mønstrene kan tilby en løsning på et grunnleggende problem innen datamaskindesign: strømforbruk.
"Hvis du vurderer en gammeldags harddisk, som er en slags spinnedisk, tar det mye krefter," sa Foster.
2013-forskernes foreslåtte laveffektutskifting ville dra nytte av det faktum at en veldig liten strøm får skyrmioner på en magnetisk overflate til å skyte med seg raskt.
Kanskje, antydet disse forskerne, hvis du tok en lang, tynn stripe med magnetisk materiale (racerbanen) og lastet den med skyrmions, kan du kode data i magnetmaterialet i hull mellom kvasipartiklene. En magnetisk leser kunne for eksempel tolke et langt gap mellom skyrmions som et binært 1 og et kort gap som et binært 0.
For å hente de lagrede dataene, kan en elektrisk strøm skyve skyrmionene til scooting frem og tilbake under en magnetisk leser. Det krever veldig liten kraft å flytte skyrmions frem og tilbake langs en magnetisk overflate, slik at den resulterende enheten kan være veldig effektiv.
Men ideen hadde noen grunnleggende problemer, sa Foster. Mens skyrmions er ganske stabile, er ikke gapene mellom dem. Over tid vil ufullkommenheter i magnetstrimlene blande dataene når skyrmionene beveget seg frem og tilbake.
"Stray magnetfelt kommer inn. Og dette er som fartshumper som vises og forsvinner. Og med de hullene som dukker opp og forsvinner, har hullene mellom din vilje gått tapt," sa Foster.
Hvordan poser kunne løst problemet
Det virkelig interessante her, sa Foster, er at skyrmion-vesker ikke mister antyryrmions over tid eller når de passerer over magnetiske "fartshumper."
Legg en haug med skyrmion-poser på et racersporapparat, skrev forskerne i den nye studien, og en datamaskin kunne kode og hente data basert på antall antiskyrmions i hver pose som passerer under leseren.
"Kollegene mine er veldig begeistret for tanken om at du også kan øke datatettheten på denne måten," sa Foster.
Der konvensjonell datamaskinlagring er avhengig av bare 1s og 0s, sa han, kunne et skyrmion-posesystem bruke 0s, 1s, 2s, 3s og så videre. Det ville åpne døren for mye mer komplekse former for datakoding som kan fylle mye mer informasjon i et gitt rom enn en tradisjonell binær metode kan.
Væskekrystall-testen
Ingen har ennå klart å lage en skyrmion-pose på en magnetlist. Men etter å ha testet konseptet ved hjelp av datasimuleringer, vendte Foster og teamet hans i Storbritannia seg til en gruppe forskere ved University of Colorado for å bringe de første kjente skyrmion-posene til verden.
Typisk tenker fysikere skyrmions som ting som finnes i magnetiske felt. Men partiklene kan også eksistere i andre stoffer, som flytende krystaller - justerte, stive, stavlignende molekyler - som fyller skjermene på den bærbare datamaskinen og noen mobiltelefoner.
Med presisjons "optisk pinsett", har University of Colorado-teamet (ledet av eksperimentalisten Ivan Smalyukh) "tegnet" skyrmionposer i flytende krystall, sa Jung-Shen Tai, en forskerstudent i fysikk på laboratoriet.
Disse skyrmion-posene forble uutslettelige i det krystallinske stoffet og synlige da forskerne kikket på dem gjennom mikroskop. Det (sammen med datasimuleringen) er sterke bevis på at skyrmion-poser også ville være stabile i magneter, sa Foster.
Så langt har ingen rapportert om å bygge noen lagringsenheter for racetrack i den virkelige verden, enn si lagringsenheter som er avhengige av skyrmion vesker. Men slike enheter kommer, insisterte Foster.
"Jeg vet allerede at folk jobber med tilskudd for å gjøre disse tingene," sa han.
