Er zijn spookachtige vormen verborgen in magnetische velden.
Ze zijn niet gemaakt van dingen zoals een bliksemschicht of een lichtstraal is. Een verlichtingsbout draagt een redelijk gedefinieerde groep elektronen vanuit de lucht helemaal naar de grond. De zonneschijn die op je gezicht valt, bestaat grotendeels uit dezelfde fotonen die miljoenen kilometers van de zon zijn afgelegd.
Maar magnetische velden bevatten dingen die skyrmions worden genoemd en die verschillen van elektronen en fotonen; een skyrmion is een knoop van magnetische veldlijnen die om elkaar heen lopen. Terwijl het van de ene plek naar de andere drijft, maakt een skyrmion zichzelf opnieuw uit de magnetische veldlijnen die er al zijn. De knoop houdt bij elkaar omdat magnetische veldlijnen weerstand bieden aan het passeren van elkaar. Dus hoewel skyrmions niet substantieel zijn en verschillen van objecten waaraan we gewend zijn te denken, gedragen ze zich als meer tastbare dingen.
Natuurkundigen noemen deze skyrmions 'quasideeltjes' en vermoeden dat ze verschijnselen kunnen verklaren die even uiteenlopend zijn als bolbliksem en de nucleaire structuur van een atoom. In een nieuw artikel toonden onderzoekers nu aan dat skyrmions in elkaar kunnen worden gestopt en een geheel nieuwe vorm kunnen aannemen. Deze opgeblazen "skyrmion bags" zijn op zichzelf al fascinerende objecten, maar de bizarre dingen kunnen ook nuttig zijn voor futuristisch computergebruik, aldus de onderzoekers.
Stop ze in een tas
Het team onthulde de skyrmion-tassen in een paper dat op 1 april werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics. Het resultaat berust op een belangrijke overeenkomst tussen de spookachtige quasideeltjes en vaste stof: het bestaan van antideeltjes.
Net zoals protonen antiprotonen hebben die elkaar bij contact met elkaar vernietigen, hebben skyrmions antiskyrmions.
'Een antiskyrmion is een skyrmion waarbij alle cijfers zijn omgedraaid', zegt David Foster, natuurkundige aan de Universiteit van Birmingham in Engeland en een van de hoofdauteurs van de nieuwe studie.
Dus als een magnetische veldlijn naar het noorden wijst in een skyrmion, dan zou het naar het zuiden wijzen in een antiskyrmion. Maar antiskyrmions en skyrmions stoten elkaar krachtig af. Dat bleek de sleutel tot het bouwen van skyrmion-tassen, aldus de onderzoekers.
"Als ik een skyrmion neem en het een beetje uitrek en ik neem een antiskyrmion en plaats het in het midden ervan ... ze zullen niet vernietigen. Het is een stabiele constructie," vertelde Foster aan WordsSideKick.com.
Bovendien, realiseerden de onderzoekers zich, als een skyrmion eenmaal is uitgerekt, kun je er nog meer antiskyrmions in stoppen.
En dat besef, zei Foster, opende opnieuw de deur naar een zes jaar oud idee om skyrmions aan het werk te zetten.
Skyrmion-opslag
In 2013 stelde een drietal onderzoekers een theoretisch "skyrmion racetrack memory device" voor in het tijdschrift Nature Nanotechnology.
Het idee was dat de kleine magnetische patronen een oplossing zouden kunnen bieden voor een basisprobleem in computerontwerp: elektriciteitsverbruik.
'Als je naar een ouderwetse harde schijf kijkt, die een soort draaiende schijf is, kost dat veel kracht', zei Foster.
De door de onderzoekers voorgestelde vervanging met laag vermogen van 2013 zou profiteren van het feit dat een zeer kleine stroom ervoor zorgt dat skyrmions op een magnetisch oppervlak snel voortschieten.
Misschien suggereerden die onderzoekers dat als je een lange, dunne strook magnetisch materiaal (de renbaan) nam en deze met skyrmions laadde, je gegevens in het magnetische materiaal kon coderen in openingen tussen de quasideeltjes. Een magnetische lezer kan bijvoorbeeld een lange kloof tussen skyrmions interpreteren als een binaire 1 en een korte kloof als een binaire 0.
Om die opgeslagen gegevens op te halen, zou een elektrische stroom de skyrmions een duwtje in de rug kunnen geven onder een magnetische lezer. Er is heel weinig kracht nodig om skyrmions heen en weer te bewegen langs een magnetisch oppervlak, dus het resulterende apparaat kan zeer efficiënt zijn.
Maar het idee had enkele basisproblemen, zei Foster. Hoewel skyrmions redelijk stabiel zijn, zijn de gaten ertussen niet. In de loop van de tijd zouden onvolkomenheden in de magnetische stroken de gegevens in de war brengen terwijl de skyrmions heen en weer bewogen.
'Verdwaalde magnetische velden komen binnen. En dit is als verkeersdrempels die verschijnen en verdwijnen. En met die gaten die verschijnen en verdwijnen, zijn de gaten tussen jullie wil verloren', zei Foster.
Hoe tassen het probleem zouden kunnen oplossen
Het echt interessante hier, zei Foster, is dat skyrmion-tassen na verloop van tijd of wanneer ze magnetische 'verkeersdrempels' passeren, geen antiritmie verliezen.
Plaats een stel skyrmion-tassen op een circuitapparaat, schreven de onderzoekers in de nieuwe studie, en een computer kon gegevens coderen en ophalen op basis van het aantal antiskyrmionen in elke tas die onder de lezer doorgaan.
'Mijn collega's zijn erg enthousiast over het idee dat je op deze manier ook de datadichtheid kunt verhogen', zei Foster.
Waar conventionele computeropslag alleen afhankelijk is van 1-en en 0-en, zei hij, zou een skyrmion-zaksysteem 0-en, 1-en, 2-en, 3-en-zo kunnen gebruiken. Dat zou de deur openen naar veel complexere vormen van gegevenscodering die veel meer informatie in een bepaalde ruimte zouden kunnen stoppen dan een traditionele binaire methode.
De vloeibare-kristaltest
Niemand is er nog in geslaagd om een skyrmion-tas op een magnetische strip te maken. Maar nadat ze het concept hadden getest met computersimulaties, wendden Foster en zijn team in het Verenigd Koninkrijk zich tot een groep onderzoekers van de Universiteit van Colorado om de eerste bekende skyrmion-tassen ter wereld te brengen.
Fysici beschouwen skyrmions doorgaans als dingen die bestaan in magnetische velden. Maar de deeltjes kunnen ook in andere stoffen voorkomen, zoals de vloeibare kristallen - uitgelijnde, stijve, staafvormige moleculen - die de schermen van je laptop en sommige mobiele telefoons vullen.
Met precisie "optische pincetten" "tekende" het team van de Universiteit van Colorado (onder leiding van de experimentator Ivan Smalyukh) skyrmionzakken in het vloeibare kristal, zei Jung-Shen Tai, een natuurkundestudent in het laboratorium.
Deze skyrmionzakken bleven onuitwisbaar in de kristallijne substantie en waren zichtbaar toen de onderzoekers ernaar keken door microscopen. Dat (samen met de computersimulatie) is een sterk bewijs dat skyrmion-tassen ook stabiel zijn in magneten, zei Foster.
Tot nu toe heeft niemand gerapporteerd dat ze echte racebaan-opslagapparaten hebben gebouwd, laat staan opslagapparaten die vertrouwen op skyrmion-tassen. Maar dergelijke apparaten komen eraan, drong Foster aan.
'Ik weet al dat mensen aan beurzen werken om deze dingen te maken', zei hij.
