Fizycy stworzyli eksperymentalny model kwazicząstek, które od dawna wymykały się fizykom – skyrmionów. To osiągnięcie pozwoli na badanie zjawiska, które pierwszy raz przewidział brytyjski fizyk prof. Tony Skyrme 60 lat temu.

Kwazicząstki, czyli cząstki, których tak naprawdę nie ma

Kwazicząstki pojawiają się w różnych materiałach i podczas różnych procesów, a zachowują się tak, jakby były niepodzielnymi cząstkami elementarnymi. Najprostszym przykładem takiej kwazicząstki jest dziura, która pojawia się, gdy w materiale półprzewodnikowym brakuje ujemnie naładowanego elektronu.

Do celów praktycznych i obliczeniowych można dziurę traktować tak, jakby była naładowaną dodatnio cząstką. Choć tak naprawdę jest tylko pustym miejscem. Inne kwazicząstki badane przez naukowców to m.in. magnony wchodzące w skład tzw. kryształów czasoprzestrzennych.

Praca prof. Skyrme’a opublikowana w 1961 roku dotyczyła modeli jąder atomowych. Uczony wykazał, że niektóre właściwości pól kwantowych tworzą w czterowymiarowej czasoprzestrzeni złożone, sferyczne struktury. W trójwymiarowej przestrzeni tworzą one kwazicząstki. Od nazwiska ich odkrywcy nazwano je skyrmionami.

Skyrmiony okazały się jednak bardzo trudne do zaobserwowania. Dopiero w ostatniej dekadzie fizykom udało się stworzyć skyrmiony, ale tylko w dwóch wymiarach, czyli w płaskich strukturach lub na powierzchniach trójwymiarowych materiałów.

Nigdy natomiast nie udało się stworzyć skyrmionu, który miałby trzy wymiary. Jeśli nawet powstał w wyniku jakiegoś procesu, nie dało się go wykryć.

Udało się stworzyć trójwymiarowe skyrmiony. Powstały ze światła

W najnowszej pracy opublikowanej w czasopiśmie naukowym „Nature Communications” zespół badaczy z Uniwersytetów w Birmingham, Lancaster, Münsterze oraz japońskiego instytutu RIKEN po praz pierwszy dowodzi, że skyrmiony da się także wykryć – i zmierzyć – w trzech wymiarach.

Prof. Mark Dennis, szef zespołu badaczy, ujawnia, że wykorzystano do tego polaryzację i fazę fal świetlnych. Odpowiednie ich dostrojenie sprawiło, że w czterowymiarowej czasoprzestrzeni powstała sfera, co odpowiada zjawisku opisywanemu przez prof. Skyrme’a w latach 60. XX wieku. Badaczom udało się taki powstały ze światła skyrmion zmierzyć i opisać.

– To bardzo złożone struktury z geometrycznego punktu widzenia – tłumaczy dr Danica Sugic, jedna z autorek odkrycia. – Przypominają splecione ze sobą pierścienie. To właśnie one tworzą kwazicząstkę. Szczególnie interesujące są ich własności topologiczne. Można je zniekształcać, ściskać i rozciągać, a mimo to się nie rozpadają. To właśnie ich trwałość sprawia, że naukowców intryguje możliwość ich wykorzystania – dodaje fizyczka.

Skyrmiony mogą pomóc w tworzeniu trwalszych pamięci komputerów

– Skyrmiony od dziesięcioleci intrygują fizyków i stanowią dla nich wyzwanie. Udało je się badać w dwu wymiarach, ale żyjemy w trójwymiarowej przestrzeni. Brakowało jednak systemu, w którym można by stworzyć trójwymiarowy model skyrmionu we wszystkich możliwych jego stanach i je zmierzyć. Zdaliśmy sobie sprawę, że można wykorzystać do tego wiązkę światła. Potrafimy bowiem dobrze panować nad jej właściwościami. Można więc stworzyć z wiązki światła model do badania skyrmionów – mówi prof. Dennis.

Do czego mogą się przydać skyrmiony w praktyce? Skyrmiony zbudowane z wiązek światła raczej nie znajdą na razie praktycznego zastosowania. Ale mogą pomóc badać inne rodzaje tych kwazicząstek, z którymi inżynierowie wiążą pewne nadzieje.

Najbardziej przydatne mogą okazać się skyrmiony, w których struktury kwazicząstki zbudowane są z pola magnetycznego. Magnetyczne skyrmiony są bardzo stabilne, więc naukowcy sądzą, że uda się je wykorzystać do przechowywania informacji na magnetycznych nośnikach i w bramkach logicznych. Dzięki temu mogą powstać nowe rodzaje pamięci komputerowych.

Źródła: University of Birmingham, Nature Communications.