新穎的洞察力揭示了Cosmos意想不到的角落中的拓撲糾結

科學家在鐵電Nano粒子中發現了一種獨特的打結結構-一種在整個自然界重複的結構，這種材料在微電子學和計算領域具有廣闊的應用前景。

就像文學迷們可能會探索一本重複主題的小說一樣，物理學家和數學家也在尋找貫穿整個自然的重複結構。

例如，科學家將其稱為霍普芬（Hopfion）的某種特定的結幾何結構，表現在Cosmos的意想不到的角落，從粒子物理學到生物學，再到Cosmos論。像斐波那契螺旋式增長和黃金分割一樣，霍普芬（Hopfion）模式將不同的科學領域結合在一起，並且對其結構和影響的更深入了解將有助於科學家開發變革性技術。

在最近的理論研究中，美國能源部（DOE）阿爾貢國家實驗室的科學家與法國皮卡第大學和俄羅斯南部聯邦大學合作，發現了Hopfion結構存在於Nano級的Nano粒子中。鐵電材料-在微電子學和計算領域具有廣闊應用前景的材料。

Nano粒子中Hopfion結構的鑒定有助於跨越不同規模的自然結構中的顯著模式，而新的見識可以為技術發展提供鐵電材料模型的參考。

鐵電材料具有獨特的能力，可以在受到電場影響的情況下超越其內部極化的方向-正負電荷在相反方向上的輕微，相對偏移。鐵電體甚至可以在電場存在下膨脹或收縮，從而使鐵電體可用於在機械和電氣之間轉換能量的技術。

在這項研究中，科學家利用基本的拓撲概念和新穎的計算機模擬來研究鐵電Nano粒子的小規模行為。他們發現，Nano粒子的極化作用呈現在看上去似乎完全不同的Cosmos領域中的打結的霍普菲翁結構。

Argonne材料公司資深科學家和傑出研究員Valerii Vinokur說：「極化線相互纏繞成Hopfion結構可能會提高該材料的有用電子性能，從而為基於鐵電的能量存儲設備和信息系統的設計開闢了新途徑。」科學處。 「這項發現還凸顯了許多科學領域的反覆趨勢。」

Hopfions在世界上（和哪裡）是什麼？

拓撲是數學的一個子領域，是對幾何結構及其性質的研究。 Hopfion拓撲結構由奧地利數學家Heinz Hopf於1931年首次提出，它出現在各種各樣的物理結構中，但在主流科學中卻很少探索。它的定義特徵之一是，必須將Hopfion結構內的任何兩條線鏈接起來，構成的結的複雜程度從幾個相互連接的環到數學上的鼠窩。

Vinokur說：「 Hopfion是一個非常抽象的數學概念，但是這種結構在流體動力學，電動力學甚至在生物系統和病毒中的DNA和RNA分子堆積中都表現出來。」

在流體動力學中，霍普芬（Hopfion）出現在球體內部流動的流動性顆粒的軌跡中。在忽略摩擦的情況下，不可壓縮的流動性顆粒的路徑相互纏繞並連接。Cosmos學理論也反映了霍普芬主義的模式。一些假設表明，Cosmos中每個粒子的路徑以與球體中的流動性粒子相同的Hopfion方式交織在一起。

根據當前的研究，球形鐵電Nano粒子中的極化結構具有相同的打結旋渦。

模擬漩渦

科學家創造了一種計算方法，可馴化極化線，並使它們能夠識別鐵電Nano粒子中新興的Hopfion結構。由南方聯邦大學和皮卡第大學的研究員尤里·蒂科霍諾夫（Yuri Tikhonov）進行的模擬對直徑在50到100Nano之間的Nano粒子內的極化進行了建模，這對於技術應用中的鐵電Nano粒子來說是一個現實的尺寸。

皮卡迪大學（University of Picardie）的科學家Igor Luk’yanchuck說：「當我們看到極化時，我們看到了Hopfion結構的出現。」 「我們認為，哇，這些Nano粒子內部存在著整個世界。」

點擊此處，以觀看相關視頻「皮卡第大學和俄羅斯南方聯邦大學的尤里•蒂科諾夫（Yuri Tikhonov）和南方聯邦大學的安娜•拉祖姆納亞（Anna Razumnaya）撰寫的「鐵電Nano粒子中的霍普芬結構的模擬」，揭示了鐵電Nano粒子中極化線的霍普芬結構。

通過模擬揭示的極化線代表了Atom內電荷之間的位移方向，這些電荷在Nano粒子周圍以最大化能量效率的方式變化。由於Nano粒子被限制在一個球體中，因此線會無限地繞其運動，而不會終止於表面或從表面逃逸。此行為與理想流體在封閉的球形容器周圍的流動平行。

這些Nano顆粒中顯示的流動性流動與電動力學之間的聯繫加強了長期以來理論上的平行性。 Vinokur說：「當麥克斯韋開發出著名的方程式來描述電磁波的行為時，他使用了流體力學和電動力學之間的類比。」 「科學家此後暗示了這種關係，但我們證明了這些概念之間存在著真實的，可量化的聯繫，這種聯繫以霍普芬結構為特徵。」

這項研究的發現確立了Hopfions對鐵電Nano粒子的電磁行為的根本重要性。新的見解可能會導致對這些材料的高級功能（例如其超級電容）在技術應用中的控制得到增強。

Luk’yanchuck說：「科學家經常將鐵電體的性質視為高度依賴化學成分和處理的單獨概念，但這一發現可能有助於以統一的通用方式描述其中許多現象。」

這些小型拓撲結構的另一個可能的技術優勢是在內存中用於高級計算。科學家正在探索用於計算系統的鐵電材料的潛力。傳統上，材料的可超越極化可以使它們以兩種獨立的狀態（通常稱為0和1）存儲信息。但是，由鐵電Nano粒子製成的微電子器件可能能夠利用其Hopfion形極化來將信息存儲在其中。更複雜的方式。

盧克揚查克說：「由於這些拓撲現象，在一個Nano粒子內，您也許能夠寫出更多的信息。」 「我們的理論發現可能是未來神經形態計算機發展中的突破性一步，該計算機將更有機地存儲信息，例如我們大腦中的突觸。」

未來的計劃

為了對鐵電內部的拓撲現象進行更深入的研究，科學家計劃利用Argonne的超級計算功能。科學家還計劃使用美國能源部科學用戶設施辦公室的Argonne的高級光子源（APS）測試鐵電Nano粒子中Hopfions的理論存在。

Vinokur說：「我們將這些結果視為第一步。」 「我們的目的是在考慮到Hopfions的存在的同時研究這些粒子的電磁行為，並確認和探索其含義。對於如此小的粒子，這項工作只能使用同步加速器來完成，因此我們很幸運能夠能夠使用Argonne的APS。」

有所作為：贊助機會

故事來源：

用料 由…提供 美國能源部/阿貢國家實驗室。最初由Savannah Mitchem撰寫。注意：可以編輯內容的樣式和長度。