Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Trong một nghiên cứu lý thuyết gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra sự hiện diện của cấu trúc tôpô Hopfion trong các hạt vật liệu sắt có kích thước nano – vật liệu với các ứng dụng đầy hứa hẹn trong vi điện tử và công nghệ thông tin.
Các nhà khoa học tìm thấy một cấu trúc thắt nút độc đáo – một cấu trúc lặp đi lặp lại trong tự nhiên – trong một hạt nano điện, một vật liệu với các ứng dụng đầy hứa hẹn trong vi điện tử và điện toán.
Giống như một người yêu văn học có thể khám phá một cuốn lý thuyết cho các chủ đề định kỳ, các nhà vật lý và toán học tìm kiếm các cấu trúc lặp lại có mặt trong tự nhiên.
Ví dụ, một cấu trúc hình học nhất định của các nút thắt mà các nhà khoa học gọi là Hopfion, xuất hiện ở các góc bất ngờ của vũ trụ, từ vật lý hạt, đến sinh học, đến vũ trụ học. Giống như xoắn ốc Fibonacci và tỷ lệ vàng, mô hình Hopfion kết hợp các lĩnh vực khoa học khác nhau và sự hiểu biết sâu sắc hơn về cấu trúc và ảnh hưởng của nó sẽ giúp các nhà khoa học phát triển các công nghệ biến đổi.
Trong một nghiên cứu lý thuyết gần đây, các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), phối hợp với Đại học Picardie ở Pháp và Đại học Liên bang miền Nam ở Nga đã phát hiện ra sự hiện diện của cấu trúc Hopfion trong các hạt có kích thước nano ferroelectrics – vật liệu với các ứng dụng đầy hứa hẹn trong vi điện tử và điện toán.
Việc xác định cấu trúc Hopfion trong các hạt nano góp phần tạo nên một mô hình nổi bật trong kiến trúc tự nhiên qua các quy mô khác nhau, và cái nhìn sâu sắc mới có thể cung cấp các mô hình vật liệu sắt cho sự phát triển công nghệ.
Các vật liệu điện có khả năng duy nhất để lật hướng phân cực điện bên trong của chúng – sự dịch chuyển nhẹ, tương đối của điện tích dương và âm theo hướng ngược lại – khi bị ảnh hưởng bởi điện trường. Ferroelectrics thậm chí có thể mở rộng hoặc co lại khi có điện trường, làm cho chúng hữu ích cho các công nghệ nơi năng lượng được chuyển đổi giữa cơ và điện.
Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học khai thác các khái niệm cấu trúc liên kết cơ bản với các mô phỏng máy tính mới để nghiên cứu hành vi quy mô nhỏ của các hạt nano sắt. Họ phát hiện ra rằng sự phân cực của các hạt nano đảm nhận cấu trúc Hopfion thắt nút có mặt trong các lĩnh vực dường như khác biệt của vũ trụ.
Valerii Vinokur, nhà khoa học cao cấp Bộ phận khoa học và Fellow phân biệt trong Tài liệu của Argonne giải thích: “Các đường phân cực đan xen vào cấu trúc Hopfion có thể làm phát sinh các tính chất điện tử hữu ích của vật liệu, mở ra các tuyến mới cho việc thiết kế các thiết bị lưu trữ năng lượng dựa trên điện và hệ thống thông tin. Phát hiện này cũng nêu bật một xu hướng lặp đi lặp lại trong nhiều lĩnh vực khoa học.”
Hopfions là gì (và ở đâu) trên thế giới?
Cấu trúc liên kết, một lĩnh vực của toán học, là nghiên cứu về cấu trúc hình học và tính chất của chúng. Một cấu trúc tôpô Hopfion, lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà toán học người Áo Heinz Hopf vào năm 1931, xuất hiện trong một loạt các cấu trúc vật lý nhưng hiếm khi được khám phá trong khoa học chính thống. Một trong những đặc điểm xác định của nó là bất kỳ hai dòng nào trong cấu trúc Hopfion phải được liên kết, tạo thành các nút thắt có độ phức tạp từ một vài vòng liên kết với nhau đến một tổ chuột toán học.
Hopfion là một khái niệm toán học rất trừu tượng nhưng cấu trúc xuất hiện trong thủy động lực học, điện động lực và thậm chí trong việc đóng gói các phân tử DNA và RNA trong các hệ thống sinh học và virus.
Trong thủy động lực học, Hopfion xuất hiện trong quỹ đạo của các hạt chất lỏng chảy bên trong một quả cầu. Với ma sát bị bỏ qua, các đường dẫn của các hạt chất lỏng không thể nén được đan xen và kết nối với nhau. Các lý thuyết vũ trụ cũng phản ánh các mô hình Hopfion. Một số giả thuyết cho rằng các đường đi của mọi hạt trong vũ trụ đan xen vào nhau theo cách Hopfion giống như các hạt chất lỏng trong một quả cầu.
Theo nghiên cứu hiện tại, cấu trúc phân cực trong hạt nano sắt điện hình cầu có cùng một vòng xoáy thắt nút này.
Mô phỏng xoáy
Các nhà khoa học đã tạo ra một phương pháp tính toán nhằm thuần hóa các đường phân cực và cho phép họ nhận ra các cấu trúc Hopfion mới nổi trong một hạt nano sắt. Các mô phỏng được thực hiện bởi nhà nghiên cứu Yuri Tikhonov từ Đại học Liên bang miền Nam và Đại học Picardie, đã mô hình hóa sự phân cực trong các hạt nano có đường kính từ 50 đến 100 nanomet, kích thước thực tế cho các hạt nano sắt trong các ứng dụng công nghệ.
“Khi chúng tôi hình dung sự phân cực, chúng tôi thấy cấu trúc Hopfion xuất hiện”, ông Igor Luk’yanchuck, một nhà khoa học từ Đại học Picardie, nói. “Chúng tôi nghĩ, wow, có cả một thế giới bên trong những hạt nano này.”
Bấm vào đây để xem video liên quan, “Mô phỏng cấu trúc Hopfion trong hạt nano sắt” của Yuri Tikhonov, Đại học Picardie và Đại học Liên bang miền Nam của Nga, và Anna Razumnaya, Đại học Liên bang miền Nam, tiết lộ cấu trúc Hopfion của các đường phân cực trong hạt nano sắt.
Các đường phân cực được tiết lộ bởi mô phỏng đại diện cho các hướng dịch chuyển giữa các điện tích trong các nguyên tử khi chúng thay đổi xung quanh hạt nano theo cách tối đa hóa hiệu quả năng lượng. Bởi vì các hạt nano bị giới hạn trong một hình cầu, các đường di chuyển xung quanh nó vô thời hạn, không bao giờ chấm dứt trên – hoặc thoát ra khỏi – bề mặt. Hành vi này song song với dòng chảy của một chất lỏng lý tưởng về một vật chứa kín, hình cầu.
Liên kết giữa dòng chất lỏng và điện động lực được hiển thị trong các hạt nano này tạo ra sự song song theo lý thuyết dài. Khi Maxwell phát triển các phương trình nổi tiếng của mình để mô tả hành vi của sóng điện từ, ông đã sử dụng sự tương tự giữa thủy động lực học và điện động lực học. Các nhà khoa học khác đã ám chỉ mối quan hệ này nhưng nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng có một mối liên hệ thực sự, có thể định lượng giữa các khái niệm được đặc trưng bởi cấu trúc Hopfion.
Những phát hiện của nghiên cứu cho thấy tầm quan trọng cơ bản của Hopfions đối với hành vi điện từ của hạt nano sắt. Cái nhìn sâu sắc mới có thể dẫn đến tăng cường kiểm soát các chức năng tiên tiến của các vật liệu này – chẳng hạn như siêu tụ điện của chúng – cho các ứng dụng công nghệ.
Các nhà khoa học thường xem các tính chất của ferroelectrics là các khái niệm riêng biệt phụ thuộc nhiều vào thành phần hóa học và xử lý, nhưng khám phá này có thể giúp mô tả nhiều hiện tượng này theo một cách thống nhất, chung chung.
Một lợi thế công nghệ khác có thể có của các cấu trúc tôpô quy mô nhỏ này là trong bộ nhớ cho máy tính tiên tiến. Các nhà khoa học đang khám phá tiềm năng của vật liệu sắt điện cho các hệ thống tính toán. Theo truyền thống, sự phân cực có thể lật của các vật liệu có thể cho phép chúng lưu trữ thông tin ở hai trạng thái riêng biệt, thường được gọi là 0 và 1. Tuy nhiên, vi điện tử làm từ hạt nano sắt có thể có thể tận dụng sự phân cực hình Hopfion của chúng để lưu trữ thông tin trong những cách phức tạp hơn.
“Trong vòng một hạt nano, bạn có thể viết được nhiều thông tin hơn vì những hiện tượng tôpô này”, ông Luk’yanchuck nói. “Khám phá lý thuyết của chúng tôi có thể là một bước đột phá trong sự phát triển của các máy tính thần kinh tương lai lưu trữ thông tin hữu cơ hơn, giống như các khớp thần kinh trong não của chúng ta.”
Các kế hoạch trong tương lai
Để thực hiện các nghiên cứu sâu hơn về các hiện tượng tôpô trong vật liệu sắt, các nhà khoa học có kế hoạch tận dụng khả năng siêu máy tính của Argonne. Các nhà khoa học cũng có kế hoạch kiểm tra sự hiện diện trên lý thuyết của Hopfions trong các hạt nano sắt điện sử dụng Nguồn Photon nâng cao (APS) của Argonne, Văn phòng người dùng khoa học DOE.
Nhóm nghiên cứu xem những kết quả này là bước đầu tiên. Ý định của các nhà khoa học là nghiên cứu hành vi điện từ của các hạt này trong khi xem xét sự tồn tại của Hopfions, cũng như xác nhận và khám phá ý nghĩa của nó. Đối với các hạt nhỏ như vậy, công việc này chỉ có thể được thực hiện bằng cách sử dụng synchrotron, vì vậy chúng ta may mắn được có thể sử dụng APS của Argonne.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Argonne . Bản gốc được viết bởi Savannah Mitchem. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :