科学家发现独特的结构 - 在整个自然界中重复 - 在宇宙的意外角落里

图像描绘了铁电纳米粒子内的一些偏振线。线条缠绕在悬井拓扑结构中。

小说洞察力揭示了宇宙意外角落的拓扑纠纷

科学家们发现一个独特的打结结构 - 一个重复在整个自然界中的一种 - 在铁电纳米粒子中，一种具有在微电子和计算中的有希望应用的材料。

正如文学款项一样，探讨了重复性，物理学家和数学家的小说，寻求在整个自然界中的重复结构。

例如，科学家的一定的几何结构，科学家们称之为霍普赛，在宇宙的意外角落中表现出来，从粒子物理学，生物学，宇宙学。与斐波纳契螺旋和黄金比例一样，Hopfion模式界定了不同的科学领域，更深入地了解其结构和影响力将有助于科学家开发变革技术。

“将自己变成悬onFion结构的偏振线可能导致材料的有用电子特性，开启新的基于铁电的能量存储设备和信息系统的新途径。” - Valerii Vinokur，Argonne高级科学家和杰出的人

在最近的理论研究中，美国能源部（DOE）的科学家们（DOE）argonne国立实验室与法国教堂和俄罗斯南部联邦大学合作，发现了载入结构的载入颗粒颗粒铁电解 - 具有在微电子和计算中有前途应用的材料。

纳米颗粒中的悬onFion结构的鉴定有助于不同尺度的自然架构中的醒目模式，新的洞察力可以为铁电材料的模型通知技术发展。

铁电材料具有翻转其内部电极化方向的独特能力 - 当受电场的影响时，沿相反方向的正面和负电荷的轻微，相对偏移的能力。铁电甚至可以在电场的存在下进行扩展或收缩，使它们有用于能量在机械和电气之间转换的技术。

沿着所描绘的偏振箭头的跟踪路径 - 头部背面的旋流中的毛发的追踪路径 - 产生模拟中的线。

在这项研究中，科学家利用了具有新颖的计算机模拟的基本拓扑概念，以研究铁电纳米粒子的小规模行为。他们发现纳米颗粒的偏振采用宇宙的看似不同的王位中存在的结悬挂结构。

“将自己进入悬onFion结构的偏振线可能导致材料的有用电子特性，为铁电基础能量存储设备和信息系统的设计开辟了新的路线，”Valerii Vinokur，高级科学家和Argonne材料的杰出伙伴科学打印。“发现还突出了许多科学领域的重复趋势。”

世界上的（以及哪里）是霍普布什？

拓扑是数学子场，是研究几何结构及其性质。1931年首次由奥地利数学家Heinz Hopf提出的悬on拓扑结构，在广泛的物理构建中出现，但很少在主流科学中探讨。其中一个定义特征是悬劫结构内的任何两条线必须链接，构成从几个互连的环到数学大鼠巢的复杂性的结。

“Hopfion是一个非常抽象的数学概念，”vinokur说：“但是结构在流体动力学，电动动力学，甚至在生物系统和病毒中的DNA和RNA分子包装中出现。”

在流体动力学中，悬onFion出现在球体内部流动的液体颗粒的轨迹中。随着摩擦忽略，不可压缩的液体颗粒的路径被交织并连接。宇宙理论也反映了跳跃模式。一些假设表明，宇宙中的每个颗粒的路径以与球体中的液体颗粒相同的血液颗粒相互交织。

根据目前的研究，球形铁电纳米粒子中的偏振结构在该相同的打结涡旋上。

模拟漩涡

科学家们创造了一种驯服偏振线的计算方法，使它们能够识别铁电纳米粒子中的新兴悬劫结构。由研究员Yuri Tikhonov从南部联邦大学和Picardie大学进行的模拟，直径为50至100纳米的纳米颗粒中的偏振，技术应用中的铁电纳米颗粒的实际尺寸。

“当我们在皮卡德大学的科学家伊戈尔·鲁库斯表示，我们看到了霍普赛结构出现了。”“我们认为，哇，这些纳米颗粒内部有一个全世界。”

仿真揭示了铁电纳米粒子内极化线的悬井结构。（Video by Picardie大学和俄罗斯南联邦大学的Yuri Tikhonov和Anna Razumnaya，南联邦大学。）

模拟所显示的偏振线表示原子内的电荷之间的位移方向，因为它们在最大化能量效率的方式周围变化。因为纳米粒子被限制在球体上，所以线条无限期地环绕它，从未终止于 - 或逸出 - 表面。这种行为是平行于围绕封闭的球形容器的理想流体的流动。

液体流动与这些纳米颗粒中显示的电动力之间的链接撑起长理论化的并行性。“当Maxwell开发了他着名的方程来描述电磁波的行为时，他使用了流体动力学和电动之间的类比，”Vinokur说。“科学家们自暗示了这种关系，但我们证明这些概念之间存在真实，可量化的联系，这些概念是悬劫率结构的特征。”

该研究的调查结果确定了跳伞对铁电纳米粒子的电磁行为的根本重要性。新的洞察力可能导致对这些材料的先进功能的控制增加 - 例如它们的超级电容器 - 用于技术应用。

“科学家们经常将铁电器的性质视为高度依赖化学成分和治疗的单独概念，”Luk'yanchult说：“但这种发现可能有助于以统一的一般方式描述许多这些现象。”

这些小型拓扑结构的另一个可能的技术优点是用于高级计算的记忆。科学家们正在探索计算系统铁电材料的潜力。传统上，材料的圆锥形偏振可以使它们能够在两个单独的状态下存储信息，通常称为0和1。然而，由铁电纳米颗粒制成的微电子可以能够利用它们的悬onFion形极化以更复杂的方式存储信息。

“在一个纳米粒子内，你可能能够由于这些拓扑现象而写得更多的信息，”Luk'yanchult说。“我们的理论发现可能是在未来的神经形式计算机开发中的突破性步骤，这些计算机在更有机地存储信息，如我们大脑中的突触。”

未来的计划

为了对铁路内的拓扑现象进行更深入的研究，科学家们计划利用氩气的超级计算能力。科学家们还计划使用Argonne的先进光子源（APS），科学用户设施的DOE办公室测试铁电纳米粒子中跳跃的理论存在。

“我们将这些结果视为第一步，”Vinokur说。“我们的目的是在考虑到跳伞的存在时研究这些颗粒的电磁行为，以及确认和探索其含义。对于这种小颗粒，这项工作只能使用同步rotron进行，因此我们很幸运能够使用Argonne的AP。“

一篇基于该研究的文章，“霍普布斯在铁电器中出现，”在5月15日的自然通讯中出现在线。该研究的作者还包括俄罗斯南部联邦大学安娜·拉扎伊亚。Argonne的研究由Doe的科学办公室提供资金，基本能源科学厅。合作机构的研究由欧洲委员会的地平线2020倡议提供资金。

参考：I. Luk'yanchuk，Y.Tikhonov，A. Razumnaya和V.M.Vinokur，2020年5月15日，自然信息，I.Tikhonov，Y.Tikhonov。
10.1038 / S41467-020-16258-W