In Magnetfeldern sind gespenstische Formen verborgen.
Sie bestehen nicht aus Dingen wie ein Blitz oder ein Lichtstrahl. Ein Beleuchtungsbolzen trägt eine ziemlich definierte Gruppe von Elektronen vom Himmel bis zum Boden. Sonnenschein, der auf Ihr Gesicht trifft, besteht hauptsächlich aus denselben Photonen, die Millionen von Meilen von der Sonne entfernt waren.
Aber Magnetfelder enthalten Dinge, die Skyrmionen genannt werden und sich von Elektronen und Photonen unterscheiden. Ein Skyrmion ist ein Knoten von Magnetfeldlinien, die sich umeinander schlingen. Während es von einem Punkt zum nächsten driftet, macht sich ein Skyrmion aus den bereits vorhandenen Magnetfeldlinien neu. Der Knoten hält zusammen, weil Magnetfeldlinien sich nicht gegenseitig passieren. Während Skyrmionen unwesentlich sind und sich von Objekten unterscheiden, an die wir gewöhnt sind, wirken sie wie greifbarere Dinge.
Physiker nennen diese Skyrmionen "Quasiteilchen" und vermuten, dass sie Phänomene erklären könnten, die so unterschiedlich sind wie Kugelblitze und die Kernstruktur eines Atoms. In einem neuen Artikel haben Forscher nun gezeigt, dass Skyrmionen ineinander gestopft werden können und eine völlig neue Form annehmen. Diese aufgeblasenen "Skyrmion-Taschen" sind selbst faszinierende Objekte, aber die bizarren Dinge könnten auch für futuristisches Computing nützlich sein, sagten die Forscher.
Pack sie in eine Tasche
Das Team enthüllte die Skyrmion-Taschen in einem Artikel, der am 1. April in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht wurde. Das Ergebnis beruht auf einer wesentlichen Ähnlichkeit zwischen den gespenstischen Quasiteilchen und der festen Materie: der Existenz von Antiteilchen.
Genau wie Protonen Gegenantiprotonen haben, die sich bei Kontakt miteinander vernichten, haben Skyrmionen Antiskyrmionen.
"Ein Antiskyrmion ist ein Skyrmion, bei dem alle Zahlen umgekehrt sind", sagte David Foster, Physiker an der Universität von Birmingham in England und einer der Hauptautoren der neuen Studie.
Wenn also eine Magnetfeldlinie in einem Skyrmion nach Norden zeigt, würde sie in einem Antiskyrmion nach Süden zeigen. Aber Antiskyrmionen und Skyrmionen stoßen sich gegenseitig stark ab. Das stellte sich als Schlüssel zum Bau von Skyrmion-Taschen heraus, sagten die Forscher.
"Wenn ich ein Skyrmion nehme und es ein wenig ausdehne und ein Antiskyrmion nehme und es in die Mitte lege ... werden sie nicht vernichten. Es ist eine stabile Konstruktion", sagte Foster gegenüber Live Science.
Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass Sie nach dem Dehnen eines Skyrmions noch mehr Antiskyrmionen hineinstecken können.
Und diese Erkenntnis, sagte Foster, öffnete erneut die Tür zu einer sechs Jahre alten Idee, Skyrmionen zum Laufen zu bringen.
Skyrmion Lagerung
Bereits 2013 schlugen drei Forscher in der Zeitschrift Nature Nanotechnology ein theoretisches "Skyrmion Racetrack Memory Device" vor.
Die Idee war, dass die kleinen magnetischen Muster eine Lösung für ein Grundproblem im Computerdesign bieten könnten: den Stromverbrauch.
"Wenn man eine altmodische Festplatte in Betracht zieht, die eine Art sich drehende Festplatte ist, braucht sie viel Strom", sagte Foster.
Der von den Forschern 2013 vorgeschlagene Austausch mit geringem Stromverbrauch würde die Tatsache ausnutzen, dass ein sehr kleiner Strom dazu führt, dass Skyrmionen auf einer magnetischen Oberfläche schnell dahinrutschen.
Vielleicht schlugen diese Forscher vor, wenn Sie einen langen, dünnen Streifen magnetischen Materials (die Rennstrecke) nehmen und ihn mit Skyrmionen beladen würden, könnten Sie Daten in Lücken zwischen den Quasiteilchen in das magnetische Material codieren. Ein Magnetleser könnte beispielsweise eine lange Lücke zwischen Skyrmionen als binäre 1 und eine kurze Lücke als binäre 0 interpretieren.
Um diese gespeicherten Daten abzurufen, könnte ein elektrischer Strom die Skyrmionen dazu bringen, unter einem Magnetleser hin und her zu schießen. Das Hin- und Herbewegen von Skyrmionen entlang einer magnetischen Oberfläche erfordert nur sehr wenig Kraft, sodass das resultierende Gerät sehr effizient sein kann.
Aber die Idee hatte einige grundlegende Probleme, sagte Foster. Während Skyrmionen ziemlich stabil sind, sind die Lücken zwischen ihnen nicht. Mit der Zeit würden Unvollkommenheiten in den Magnetstreifen die Daten durcheinander bringen, wenn sich die Skyrmionen hin und her bewegen.
"Streunende Magnetfelder kommen herein. Und das ist wie Geschwindigkeitsschwankungen, die erscheinen und verschwinden. Und mit diesen Lücken, die erscheinen und verschwinden, sind die Lücken zwischen Ihrem Willen verloren gegangen", sagte Foster.
Wie Taschen das Problem lösen könnten
Das wirklich Interessante hier, sagte Foster, ist, dass Skyrmion-Taschen keine Antiskyrmionen im Laufe der Zeit verlieren oder wenn sie über magnetische "Speed Bumps" fahren.
Stellen Sie eine Reihe von Skyrmion-Beuteln auf ein Rennstreckengerät, so die Forscher in der neuen Studie, und ein Computer könnte Daten basierend auf der Anzahl der Antiskyrmionen in jeder Tasche, die unter dem Lesegerät vorbeikommen, codieren und abrufen.
"Meine Kollegen freuen sich sehr über die Idee, dass Sie auf diese Weise auch die Datendichte erhöhen können", sagte Foster.
Wo herkömmlicher Computerspeicher nur 1s und 0s benötigt, könnte ein Skyrmion-Beutelsystem 0s, 1s, 2s, 3s usw. verwenden. Dies würde die Tür zu viel komplexeren Formen der Datencodierung öffnen, die weitaus mehr Informationen in einen bestimmten Raum einfügen könnten als eine herkömmliche binäre Methode.
Der Flüssigkristalltest
Niemand hat es bisher geschafft, eine Skyrmion-Tasche auf einem Magnetstreifen herzustellen. Nachdem Foster und sein Team in Großbritannien das Konzept mithilfe von Computersimulationen getestet hatten, wandten sie sich an eine Gruppe von Forschern an der Universität von Colorado, um die ersten bekannten Skyrmion-Taschen auf die Welt zu bringen.
Typischerweise betrachten Physiker Skyrmionen als Dinge, die in Magnetfeldern existieren. Die Partikel können aber auch in anderen Substanzen vorhanden sein, beispielsweise in Flüssigkristallen - ausgerichteten, starren, stabförmigen Molekülen -, die die Bildschirme Ihres Laptops und einiger Mobiltelefone füllen.
Mit einer präzisen "optischen Pinzette" "zeichnete" das Team der Universität von Colorado (unter der Leitung des Experimentators Ivan Smalyukh) Skyrmionbeutel in den Flüssigkristall, sagte Jung-Shen Tai, ein Physikstudent im Labor.
Diese Skyrmionbeutel blieben in der kristallinen Substanz unauslöschlich und sichtbar, wenn die Forscher sie durch Mikroskope betrachteten. Dies (zusammen mit der Computersimulation) ist ein starker Beweis dafür, dass Skyrmionbeutel auch in Magneten stabil sind, sagte Foster.
Bisher hat niemand berichtet, dass er reale Rennstrecken-Speichergeräte gebaut hat, geschweige denn Speichergeräte, die auf Skyrmion-Taschen basieren. Aber solche Geräte kommen, beharrte Foster.
"Ich weiß bereits, dass die Leute an Stipendien arbeiten, um diese Dinge zu machen", sagte er.
