Skyrmionen sind extrem klein mit Durchmessern im Nanobereich und verhalten sich wie Partikel, die für Informationsspeicher- und Logiktechnologien geeignet sind. 1961 formulierte Tony Skyrme eine Manifestation des ersten topologischen Defekts, um ein Teilchen zu modellieren, und prägte es als Skyrmionen. Solche Teilchen mit topologisch stabilen Konfigurationen können einen vielversprechenden Weg zur Etablierung hochdichter magnetischer und phononischer (eine diskrete Einheit von quantenschwingungsmechanischer Energie) Informationsverarbeitungswege einleiten.
In einem neuen Bericht, veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte, Liyun Cao und ein Forscherteam der Universität Lorraine CNRS, Frankreich, entwickelten experimentell phononische Skyrmionen als neue topologische Strukturen, indem sie den dreidimensionalen (3D) Hybridspin elastischer Wellen nutzten. Die Forscher beobachteten die frequenzunabhängigen Spinkonfigurationen und ihren Fortschritt hin zur Bildung ultrabreitbandiger phononischer Skyrmionen, die auf jeder festen Struktur erzeugt werden könnten.
Die neue Forschungsarbeit eröffnet einen lebendigen Horizont zur Regulierung elastischer Wellen und Strukturen auf der Grundlage der Spinkonfiguration und bietet somit alternative phononische Technologien, die sich gut für die Informationsverarbeitung, biomedizinische Tests und Wellentechnik Anwendungen.
Das experimentelle Vektorfeld des zeitaufgelösten 3D-Spins Credit: Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf3652
Die Physik von Skyrmionen
Skyrmionen können als topologisch stabiles Vektorfeld aus drei Komponenten definiert werden, wie in gezeigt Systeme kondensierter Materie Und helimagnetische Materialien. Solche Phänomene bilden vielversprechende Wege für Informationsspeicherung und -übertragung. Physiker forschen Nichttriviale Skyrmion-Konfigurationen für elastische Phononen bekannt als „Elastische Wellen in Festkörpern“ aufgrund ihrer ausgeklügelten Polarisationszustände. Im Vergleich zu Photonische Systemebieten elastische Phononen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, zu denen eine Skalierbarkeit in Richtung Formung gehört, eine hervorragende Plattform zum Tragen und Verarbeiten von Informationen integrierte Geräte und ein Entstörungskapazität mit extrem geringe Verluste.
Die Phononenphysik hat neben intensiven Welle-Materie-Wechselwirkungen zu fortschrittlichen Technologien in der Informationsverarbeitung mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis geführt geeignet für Quantennetzwerke. In dieser neuen Arbeit haben Cao und Kollegen eine nicht triviale topologische Struktur von phononischen Ultrabreitband-Skyrmionen entwickelt, die auf dem 3D-Hybridspin elastischer Wellen basiert. Das Team formte die phononischen und photonischen Skyrmionen über unterschiedliche Spintexturen.
Die Evolution vom hybriden Spin zum phononischen Skyrmion. Diese Entwicklung findet in der frühen Phase zwischen dem ersten Eintreffen des Anregungssignals im Testbereich und dem Ende der Messung statt, da der Hybridspin nur dann dominiert, wenn die Interferenz der sechsdirektionalen Anregungswellen in der frühen Phase sehr schwach ist. Kredit: Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf3652
Bildung phononischer Skyrmionen über intrinsische Hybridspins
Forscher können einen elastischen Spin herstellen, indem sie transversale und longitudinale Wellen in einer elastischen Grenzfläche hybridisieren. Dieser hybride Spin kann auf einer freien Oberfläche gebildet werden, die Lamb-Wellen unterstützt und Rayleigh winkt und existieren auch in einem unendlichen isotropen Massenraum ohne Grenzflächen basierend auf Zweiwelleninterferenz.
Die Forscher schufen eine kompakte Struktur, indem sie das phononische Skyrmion-System innerhalb eines Dünnplattenmodells bauten, das den hybriden Spin des Lammwelle die aus der Hybridisierung zwischen Longitudinal- und Transversalwellen in den oberen und unteren Plattengrenzflächen des Versuchsaufbaus entstanden sind. Um die phononischen Skyrmionen im Labor zu erzeugen, entwarf das Team ein Sechseck Metaplatte mit Säulenresonatoren und erregten während des Experiments drei Paare von gegenläufigen ebenen Lamb-Wellen mit Hybridspins.
Abstimmbare Eigenschaften der elastischen, robusten phononischen Skyrmionen
Cao und Kollegen beobachteten die ultrabreitbandige topologische Robustheit der phononischen Skyrmionen, die durch die frequenzunabhängige 3D-Hybrid-Spin-Textur der elastischen Wellen verursacht wird. Sie erleichterten auch die Fluid-Feststoff-Kopplung, um ein nicht triviales akustisches Skyrmion-Feld in Flüssigkeiten zu entwickeln. Das Team verwendete dann einen 3D-Drucker, um eine hexagonal symmetrische Metaplatte mit Säulenresonatoren zu drucken, und stellte eine gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und simulierten Dispersionen fest. Anschließend bestätigten sie die Breitbandeigenschaften der phononischen Skyrmionen und beobachteten Übergänge verschiedener Arten von Skyrmionen im geometrischen Raum, was den Beitrag von Säulenresonatoren zum Aufbau von 3D-Skyrmionenkonfigurationen zeigte.
Die Arbeit stellte außerdem die Robustheit der nichttrivialen topologischen phononischen Skyrmion-Gitter fest. Als das Team beispielsweise Defekte in den Aufbau einführte, wirkten sich diese nicht auf die Skyrmion-Gitterarchitektur aus, was beweist, dass phononische Skyrmionen robust gegenüber den Defekten waren, was auf die Stabilität des Skyrmion-Felds hinweist.
Ausblick
Auf diese Weise beschrieben und beobachteten Liyun Cao und Kollegen die Bildung ultrabreitbandiger phononischer Skyrmionen in Theorie und Praxis auf der Grundlage des 3D-Hybridspins elastischer Wellen. Die phononischen Skyrmionen waren robust gegenüber lokalen Unordnungsdefekten und zeigten Ultrabandbreite, gut geeignet für Hochgeschwindigkeitstopologie phononische Informationsverarbeitungstechnologien. Die 3D-Hybrid-Spinzustände können neue Wege eröffnen, um Phononen zu regulieren und neue topologische Ordnungen zu erforschen.
Die Arbeit präsentiert eine Reihe von Möglichkeiten zur Schaffung neuer topologischer phononischer Materialien auf der Makro- bis Mikroskala. Die Wissenschaftler zeigten die Möglichkeit, abstimmbare, phononische Skyrmionen in jedem elastischen Wellensystem zu erzeugen, einschließlich Fest-Fest-, Fest-Gas- oder Fest-Flüssig-Grenzflächen. Bemerkenswert ist, dass die Fluid-Feststoff-Kopplung den Weg zu Skyrmion-Gittermateriesystemen in Flüssigkeiten ebnen kann, die sich gut zur Beobachtung eignen Zelldynamik in mikrofluidischen Instrumenten und für biomedizinische Tests. Diese Ergebnisse werden fortschrittliche integrierte Informationsplattformen ermöglichen, um interdisziplinäre Physik über Elektronik, Phononik/Photonik und die Biowissenschaften zu verbinden.
Mehr Informationen:
Liyun Cao et al, Beobachtung von phononischen Skyrmionen basierend auf dem Hybridspin elastischer Wellen, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf3652
Shujie Yang et al, Harmonische Akustik für dynamische und selektive Partikelmanipulation, Naturmaterialien (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01210-8
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