Подобно тому, как любители литературы могут исследовать литературные произведения на наличие повторяющихся тем, физики и математики ищут повторяющиеся структуры, присутствующие в природе.
Например, определенная геометрическая структура узлов, которую ученые называют Хопфионом, проявляется в неожиданных уголках Вселенной, начиная от физики элементарных частиц, до биологии и заканчивая космологией.
Подобно спирали Фибоначчи и золотому сечению, образ Хопфиона объединяет различные научные области, и более глубокое понимание его структуры и влияния поможет ученым в разработке трансформирующих технологий.
В недавнем теоретическом исследовании ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США в сотрудничестве с Университетом Пикардии во Франции и Южным федеральным университетом в России обнаружили присутствие структуры Хопфиона в наноразмерных частицах сегнетоэлектриков — материалов с перспективными приложениями в микроэлектронике и вычислительной технике.
Идентификация структуры Хопфиона в наночастицах вносит свой вклад в поразительную закономерность в архитектуре природы в различных масштабах, и новое понимание может помочь моделям сегнетоэлектрических материалов в технологическом развитии.
Сегнетоэлектрические материалы обладают уникальной способностью изменять направление их внутренней электрической поляризации — небольшое относительное смещение положительного и отрицательного заряда в противоположных направлениях — при воздействии электрических полей.
Сегнетоэлектрики могут даже расширяться или сжиматься в присутствии электрического поля, что делает их полезными для технологий, в которых энергия преобразуется между механической и электрической.
В новом исследовании ученые использовали фундаментальные топологические концепции с помощью новых компьютерных симуляций для исследования мелкомасштабного поведения сегнетоэлектрических наночастиц. Они обнаружили, что поляризация наночастиц приобретает запутанную структуру Хопфиона, присутствующую в, казалось бы, разрозненных сферах Вселенной.
«Линии поляризации, переплетающиеся в структуру Хопфиона, могут привести к появлению полезных электронных свойств материала, открывая новые пути для проектирования накопителей энергии и информационных систем на основе сегнетоэлектриков», — сказал Валерий Винокур, заслуженный научный сотрудник Argonne’s Materials. «Открытие также подчеркивает тенденцию повторения во многих областях науки».
Чтобы глубже изучить топологические явления в сегнетоэлектриках, ученые планируют использовать суперкомпьютерные возможности Аргонны. Ученые также планируют проверить теоретическое присутствие хопфионов в сегнетоэлектрических наночастицах с использованием усовершенствованного источника фотонов (APS) в Аргоннской национальной лаборатории.
«Мы рассматриваем эти результаты как первый шаг», — сказал Винокур. «Наше намерение состоит в том, чтобы изучить электромагнитное поведение этих частиц при рассмотрении существования Хопфионов, а также подтвердить и исследовать его последствия. Для таких маленьких частиц эту работу можно выполнить только с использованием синхротрона, поэтому нам повезло, что мы возможность использовать APS».
I. Luk’yanchuk et al, Hopfions emerge in ferroelectrics, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-16258-w