(Phys.org) - Os físicos descobriram que dezenas de estruturas com nós 3-D chamadas de "solitons topológicos, "que permaneceram experimentalmente evasivos por centenas de anos, podem ser criados e congelados por longos períodos de tempo em cristais líquidos, como os usados ​​em telas eletrônicas. Até agora, sólidos topológicos foram realizados apenas em alguns experimentos, e por tão pouco tempo que foi impossível estudá-los em detalhes.

Os novos resultados podem mudar tudo isso, pois fornecem uma maneira de produzir uma ampla diversidade de sólidos topológicos de longa duração que podem ser estudados com microscópios e, talvez um dia, desempenham um papel em novas aplicações ópticas e elétricas.

Os pesquisadores, Paul J. Ackerman e Ivan I. Smalyukh da Universidade do Colorado, Pedregulho, publicaram um artigo sobre a realização experimental de solitons topológicos em uma edição recente da Revisão Física X .

"Nosso trabalho estabelece abordagens experimentais e numéricas para estudos detalhados de sólidos topológicos 3-D, com a grande vantagem de permitir uma comparação direta entre resultados experimentais e teóricos e com um impacto potencial em muitos ramos da física e no campo matemático da topologia, "Smalyukh disse Phys.org . "Nosso trabalho não demonstra apenas experimentalmente solitons topológicos 3-D que os matemáticos e físicos teóricos imaginaram anteriormente, mas também revela uma série de estruturas solitônicas que não foram antecipadas. "

Fundo atado

O interesse em solitons topológicos remonta ao início de 1800, quando o matemático Carl Friedrich Gauss sugeriu que as linhas dos campos magnéticos e elétricos formam nós 3-D que podem se comportar como partículas. Mais tarde, Lord Kelvin e outros consideraram os vórtices com nós como um dos primeiros modelos do átomo, em que as propriedades dos nós poderiam explicar as propriedades químicas dos diferentes elementos.

Atualmente, muitos modelos em física e cosmologia envolvem sólidos topológicos - por exemplo, modelos de sistemas de matéria condensada, partículas elementares, monopólos magnéticos, e partículas magnéticas chamadas skyrmions que desempenham um papel no campo emergente da spintrônica.

O que exatamente são solitons topológicos? Se você pegar dois ou mais anéis circulares, ligue-os para formar uma corrente, em seguida, distorça os anéis torcendo e puxando-os como se fossem feitos de massa, e, finalmente, incorporar toda a estrutura em uma superfície de fundo, o resultado pareceria um soliton topológico. Descrever esses objetos em detalhes mais precisos requer defini-los como objetos quadridimensionais chamados de "três esferas, "e, em seguida, converter esses objetos quadridimensionais em objetos tridimensionais usando uma técnica matemática chamada mapeamento de Hopf. São esses objetos 3-D, chamado de "pré-imagens, "que são os anéis vinculados mostrados em representações visuais.

Uma das razões pelas quais os solitons topológicos são tão difíceis de perceber experimentalmente é que eles correspondem ao estado de energia mais baixa de um sistema físico para serem estáveis. Por esta razão, eles foram demonstrados apenas como estruturas transitórias em cristais líquidos. Também é possível que solitons topológicos possam existir em outro meio, ferromagnetos quirais, mas a falta de técnicas experimentais de imagem impede os pesquisadores de observá-los.

Nós congelantes

No novo estudo, os pesquisadores desenvolveram um método para "congelar" sólidos topológicos em um filme sólido de cristais líquidos nemáticos quirais por meio de um processo de polimerização envolvendo baixos níveis de luz ultravioleta, junto com aquecimento e resfriamento. Para permitir que o experimento seja amplamente acessível, os pesquisadores usaram cristais líquidos disponíveis comercialmente, aos quais eles adicionaram dopantes quirais. Usando pinças ópticas para gerar e manipular padrões nos cristais líquidos pré-congelados, os pesquisadores também podiam controlar os tipos de solitons topológicos sendo feitos.

Depois que os sólidos topológicos são congelados nos cristais líquidos, os pesquisadores podem estudá-los usando um microscópio óptico - especificamente, um microscópio de polarização de fluorescência de excitação de três fótons, que produz um sinal óptico que pode ser usado para construir imagens 3-D dos solitons.

Na segunda parte do estudo, os pesquisadores mostraram como esses dados poderiam ser usados ​​para fazer simulações numéricas correspondentes às estruturas físicas altamente complexas. Este processo é baseado na análise dos padrões de torção energeticamente favoráveis ​​que minimizam a energia livre elástica dos cristais líquidos. Essencialmente, este processo de conversão das estruturas experimentais (pré-imagens) em modelos numéricos é análogo ao mapeamento matemático de Hopf de objetos 3-D (pré-imagens) para quatro dimensões.

Aplicações potenciais

A capacidade de gerar sólidos topológicos de longa duração também abre as portas para aplicações em potencial. Uma ideia é aproveitar o fato de que diferentes solitons topológicos têm propriedades ópticas distintas, que poderia ser usado em dispositivos ópticos que mudam a fase da luz, bem como em pixels para visores ópticos. Além disso, se os sólidos topológicos identificados aqui em cristais líquidos também existem em ferromagnetos sólidos, os pesquisadores esperam que possam revolucionar o campo da skyrmionics, em que skyrmions podem ser usados ​​para construir dispositivos magnéticos, como armazenamento de dados e lógica.

"A grande variedade de solitons topológicos estáveis ​​de longo prazo localizados, combinado com as propriedades eletro-ópticas exclusivas do meio hospedeiro de cristal líquido, inevitavelmente levará a aplicações tecnológicas, como dispositivos eletro-ópticos e telas de informações biestáveis, "Ackerman disse." Um amplo espectro de novas oportunidades também surge do lado fundamental, onde nosso grupo de pesquisa trabalhará para estabelecer como diferentes solitons topológicos podem se transformar um em outro e também como os solitons com grandes valores de índice de Hopf podem ser realizados experimentalmente. "

Geral, uma das maiores vantagens do novo método é que ele fornece um muito mais abrangente, análise detalhada de pré-imagens topológicas de soliton do que outros métodos de construção. Como resultado, o novo método revela pequenos detalhes na topologia que poderiam facilmente passar despercebidos de outra forma, como diferenças sutis entre estruturas muito semelhantes que poderiam ser confundidas com a mesma estrutura. Os resultados mostram que os solitons topológicos são mais complexos e diversos do que as evidências anteriores poderiam mostrar, e indicam que muitas mais dessas estruturas ainda estão esperando para serem descobertas.

"Um número infinitamente grande de solitons topológicos pode potencialmente existir, especialmente ao considerar diferentes sistemas físicos, "Smalyukh disse.

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