اكتشف الباحثون في يوليش تراكيب تشبه الأوتار مصنوعة من السماء. أعلاه ، نماذج محاكاة لستة سماء في شدة مجال مغناطيسي مختلفة ؛ أدناه ، يتم ملاحظة صور المجهر الإلكتروني النافذ لمثل هذه الهياكل في فيلم رقيق. الائتمان: Forschungszentrum Jülich
اكتشف فريق من العلماء من ألمانيا والسويد والصين ظاهرة فيزيائية جديدة: هياكل معقدة مضفرة مصنوعة من دوامات مغناطيسية صغيرة تعرف باسم Skyrmions. تم اكتشاف Skyrmions لأول مرة بشكل تجريبي منذ ما يزيد قليلاً عن عقد من الزمان ، ومنذ ذلك الحين كان موضوعًا للعديد من الدراسات ، فضلاً عن توفير أساس محتمل للمفاهيم المبتكرة في معالجة المعلومات التي توفر أداءً أفضل واستهلاكًا أقل للطاقة. علاوة على ذلك ، تؤثر السماوات على خصائص المقاومة المغناطيسية والديناميكية الحرارية للمادة. لذلك فإن هذا الاكتشاف له صلة بالبحوث التطبيقية والأساسية.
يمكن رؤية الخيوط والخيوط والهياكل المضفرة في كل مكان في الحياة اليومية ، من أربطة الحذاء إلى البلوفرات الصوفية ، من الضفائر في شعر الطفل إلى الكابلات الفولاذية المضفرة التي تُستخدم لدعم عدد لا يحصى من الجسور. تُرى هذه الهياكل أيضًا بشكل شائع في الطبيعة ويمكنها ، على سبيل المثال ، إعطاء ألياف النبات قوة شد أو انثناء. اكتشف الفيزيائيون في Forschungszentrum Jülich ، مع زملائهم من ستوكهولم وخفي ، أن مثل هذه الهياكل موجودة على المقياس النانوي في سبائك الحديد والجرمانيوم المعدني.
تتكون كل من هذه الزنبركات النانوية من عدة سماء ملتوية معًا بدرجة أكبر أو أقل ، مثل خيوط حبل. يتكون كل Skyrmion نفسه من لحظات مغناطيسية تشير في اتجاهات مختلفة وتتخذ معًا شكل دوامة صغيرة ممدودة. يبلغ قطر خيط Skyrmion الفردي أقل من ميكرومتر واحد. يقتصر طول الهياكل المغناطيسية على سمك العينة فقط ؛ تمتد من سطح واحد للعينة إلى السطح المقابل.
وقد أظهرت الدراسات السابقة التي أجراها علماء آخرون أن هذه الخيوط خطية إلى حد كبير وشبه قضيب. ومع ذلك ، فإن التحقيقات المجهرية فائقة الدقة التي أجريت في مركز إرنست روسكا في يوليش ، كشفت الدراسات النظرية في معهد بيتر جرونبيرج التابع لجوليش عن صورة أكثر تنوعًا: يمكن للخيوط في الواقع أن تلتف معًا بدرجات متفاوتة. وفقًا للباحثين ، تعمل هذه الأشكال المعقدة على تثبيت الهياكل المغناطيسية ، مما يجعلها مثيرة للاهتمام بشكل خاص للاستخدام في مجموعة من التطبيقات.
تحتوي الرياضيات على مجموعة كبيرة ومتنوعة من هذه الهياكل. نحن نعلم الآن أن هذه المعرفة النظرية يمكن ترجمتها إلى ظواهر فيزيائية حقيقية ، "يسر الفيزيائي جوليش الدكتور نيكولاي كيسيليف أن يقدم تقريراً. تشير هذه الأنواع من الهياكل داخل المواد الصلبة المغناطيسية إلى خصائص كهربائية ومغناطيسية فريدة. ومع ذلك ، هناك حاجة إلى مزيد من البحث للتحقق من ذلك ".
لشرح التناقض بين هذه الدراسات والدراسات السابقة ، يشير الباحث إلى أن التحليلات باستخدام مجهر إلكتروني فائق الدقة لا توفر ببساطة صورة للعينة ، كما في حالة ، على سبيل المثال ، مجهر ضوئي. وذلك لأن ظاهرة ميكانيكا الكم تدخل حيز التنفيذ عندما تتفاعل إلكترونات الطاقة العالية مع تلك الموجودة في العينة.
"من الممكن تمامًا أن يرى باحثون آخرون هذه الهياكل أيضًا تحت المجهر ، لكنهم لم يتمكنوا من تفسيرها. هذا لأنه لا يمكن تحديد توزيع اتجاهات المغنطة في العينة مباشرة من البيانات التي تم الحصول عليها. بدلاً من ذلك ، من الضروري إنشاء نموذج نظري للعينة وإنشاء نوع من صورة المجهر الإلكتروني منه ، "يشرح كيسيليف. "إذا تطابقت الصور النظرية والتجريبية ، فيمكن للمرء أن يستنتج أن النموذج قادر على تمثيل الواقع." في التحليلات فائقة الدقة من هذا النوع ، تعتبر Forschungszentrum Jülich مع مركز Ernst Ruska إحدى المؤسسات الرائدة في جميع أنحاء العالم.
المرجع: "ضفائر السماء المغناطيسية" بقلم فنغشان تشنغ وفيليب ن. ريباكوف ونيكولاي إس كيسيليف ودونغ شنغ سونغ وأندراس كوفاكس وهايفنغ دو وستيفان بلوجل ورافال إي دونين بوركوفسكي ، 7 سبتمبر 2021 ، طبيعة الاتصالات.
DOI: 10.1038/s41467-021-25389-7
