Роман проницательностью раскрывает топологические клубок в неожиданном уголке Вселенной

Ученые нашли уникальный узловатые структуры, который повторяется на протяжении всей природе-в сегнетоэлектрических наночастиц, материал с перспективных применений в микроэлектронике и вычислительной техники.

Просто как любитель литературы мог бы изучить роман за повторяющиеся темы, физиков и математиков искать повторяющиеся структуры, присутствующие в природе.

Например, в определенные геометрические структуры узлов, которых ученые называют Hopfion, проявляется в самых неожиданных уголках Вселенной, начиная от элементарных частиц, биологии, космологии. Как спираль Фибоначчи и золотой пропорции, шаблон Hopfion объединяет разных областях науки, а более глубокое понимание его структуры и влияния поможет ученым разработать трансформативных технологий.

В недавнем теоретическом исследовании, ученые из Департамента энергетики США (МЭ США) Аргоннской национальной лаборатории, в сотрудничестве с Университетом Пикардии во Франции и Южным федеральным университетом в России, обнаружил наличие у Hopfion структуры наноразмерных частиц сегнетоэлектриков — материалы перспективные применения в микроэлектронике и вычислительной техники.

Выявление структуры Hopfion в наночастицы способствует ярким рисунком в архитектуре природы в разных масштабах, и новое понимание могли сообщить модели сегнетоэлектрических материалов для технологического развития.

Сегнетоэлектрические материалы обладают уникальной способностью изменить направление своей внутренней электрической поляризации — небольшое, относительное смещение положительных и отрицательных зарядов в противоположных направлениях-когда под влиянием электрического поля. Сегнетоэлектрики даже могут расширяться или сужаться в присутствии электрического поля, что делает их полезными для технологии, где энергия преобразуется между механическими и электрическими.

В этом исследовании ученые впряглись основных топологических понятий с новыми компьютерного моделирования для исследования мелкомасштабных поведения сегнетоэлектрических наночастиц. Они обнаружили, что поляризация наночастиц приобретает узловатый структура Hopfion присутствует в, казалось бы, несовместимых миров Вселенной.

«Поляризация линий, сплетающихся в Hopfion структура может порождать материала полезные электронные свойства, открывая новые маршруты для проектирования сегнетоэлектрика на основе накопителей энергии и информационных систем», — сказал Валерий Винокур, старший научный сотрудник и Заслуженный сотрудник Аргоннской материалов научного отдела. «Открытие также подчеркивает повторяется тенденция во многих областях науки».

Что (и где) в мире Hopfions?

Топологии, подполе математика, является исследование геометрических структур и их свойства. Топологическая структура Hopfion, впервые предложил австрийский математик Хейнц Хопф в 1931 году, выходит в широкий спектр физических конструкций, но редко рассматриваются в официальной науке. Одной из его характерных особенностей является то, что любые две линии в структуре Hopfion должны быть связаны, составляющих узлов любой сложности из нескольких взаимосвязанных колец математическому крысиное гнездо.

«В Hopfion-это абстрактное математическое понятие», — сказал Винокур, «но структура появляется в гидродинамике, электродинамике и даже в упаковке молекул ДНК и РНК в биологических системах и вирусы.»

В гидродинамики, Hopfion появляется в траектории частиц жидкости, протекающей внутри сферы. С трением пренебречь, пути несжимаемой жидкости частиц переплетены и связаны. Космологические теории также отражают закономерности Hopfion. Некоторые гипотезы предполагают, что на пути каждой частицы во Вселенной вплетает себя в Hopfion же образом, как и жидкие частицы в области.

По данным текущего исследования, структура поляризации в сферических сегнетоэлектрических наночастиц берет на себя такую же завязывается водоворот.

Имитация кручения

Ученые создали вычислительный подход, что приручили линии поляризации и позволяет им распознавать возникающие Hopfion структур в сегнетоэлектрических наночастиц. Симуляции, проведенные исследователем Юрий Тихонов из Южного федерального университета и Университета Пикардии, по образцу поляризация наночастиц в пределах от 50 до 100 нанометров в диаметре, реалистичный размер в сегнетоэлектрических наночастиц в технологических приложениях.

«Когда мы визуализировали поляризации, возникает структура Hopfion», — сказал’yanchuck Игоря Лукьянова, ученый из Университета Пикардии. «Мы думали, вау, есть целый мир внутри этих наночастиц.»

Щелкните здесь для получения видео, «моделирование Hopfion структуры в сегнетоэлектрических наночастиц» Юрий Тихонов, университет Пикардии и России Южного федерального университета, и Анна разумная, Южный федеральный университет, раскрывая Hopfion структура линий поляризации в сегнетоэлектрических наночастиц

Линии поляризации показал моделирования представляют направления перемещения зарядов внутри атомов, так как они различаются в разных наночастиц в пути, который максимизирует эффективность использования энергии. Поскольку наночастицы ограничивается сфера, линии путешествий вокруг нее бесконечно, никогда не заканчивающийся … или спасаясь от … поверхности. Такое поведение параллельного потока идеальной жидкости, о чем, сферический контейнер.

Связь между потоком жидкости и электродинамики в этих наночастиц поддержать давно выдвинул теорию параллелизма. «Когда Максвелл разработал свои знаменитые уравнения, описывающие поведение электромагнитных волн, он использовал аналогию между гидродинамикой и электродинамикой», — сказал Винокур. «Ученые уже намекал на эту связь, но мы показали, что существует реальная, исчисляемая связи между этими понятиями, которые характеризуют структуру Hopfion.»

Выводы исследования установить основополагающее значение Hopfions электромагнитной поведения сегнетоэлектрических наночастиц. Новое понимание может привести к усилению контроля расширенные функциональные возможности этих материалов-таких, как их supercapacitance-для технологических применений.

«Ученые часто рассматривают свойства сегнетоэлектриков в качестве отдельных понятий, которые в значительной степени зависят от химического состава и обработки,» сказал’yanchuck лук», но это открытие может помочь описать многие из этих явлений либо единой, обобщенной форме.»

Еще одним возможным технологическим преимуществом этих малых топологических структур в памяти для продвинутых вычислений. Ученые исследуют потенциал для сегнетоэлектрических материалов для вычислительных систем. Традиционно, флип-возможность поляризации материалов позволит хранить информацию в двух отдельных государств, как правило, называются 0 и 1. Однако, микроэлектроники из сегнетоэлектрических наночастиц может быть в состоянии использовать свои Hopfion-образный поляризации для хранения информации в более сложных случаях.

«В пределах одной наночастицы, можно написать гораздо больше информации, потому что эти топологические явления», — сказал’yanchuck лук. «Наше теоретическое открытие может стать революционным шагом в развитии будущих нейроморфные компьютеры, которые хранят больше информации органично, как синапсы в нашем мозгу».

Планы на будущее

Для выполнения более глубоких исследований в топологических явлений в сегнетоэлектриках, ученые планируют использовать возможности суперкомпьютеров Аргонна. Также Ученые планируют проверить теоретические присутствии Hopfions в сегнетоэлектрических наночастиц с использованием передовых источника фотонов Аргонна (АПС), управления ДОУ научно пользователя объекта.

«Мы рассматриваем эти результаты как первого шага», — сказал Винокур. «Нашей целью является исследование электромагнитных поведение этих частиц при рассмотрении вопроса о существовании Hopfions, а также для подтверждения и изучения его последствий. Для таких мелких частиц, эта работа может быть выполнена только с использованием синхротрона, так что нам повезло, чтобы иметь возможность использовать АПС Аргонна».

сделать разницу: спонсорские возможности