Los científicos encuentran una estructura anudada única, una que se repite en toda la naturaleza, en una nanopartícula ferroeléctrica, un material con aplicaciones prometedoras en microelectrónica y computación.
Así como un aficionado a la literatura podría explorar una novela para temas recurrentes, los físicos y los matemáticos buscan estructuras repetitivas presentes en toda la naturaleza.
Por ejemplo, una cierta estructura geométrica de nudos, que los científicos llaman Hopfion, se manifiesta en rincones inesperados del universo, que van desde la física de partículas hasta la biología y la cosmología. Como la espiral de Fibonacci y la proporción dorada, el patrón Hopfionune diferentes campos científicos, y una comprensión más profunda de su estructura e influencia ayudará a los científicos a desarrollar tecnologías transformadoras.
En un estudio teórico reciente, científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, en colaboración con la Universidad de Picardie en Francia y la Universidad Federal del Sur en Rusia, descubrieron la presencia de la estructura Hopfion en nano-tamañoPartículas de ferroeléctrica: materiales con aplicaciones prometedoras en microelectrónica e informática.
La identificación de la estructura Hopfion en las nanopartículas contribuye a un patrón sorprendente en la arquitectura de la naturaleza a diferentes escalas, y la nueva información podría informar a los modelos de materiales ferroeléctricos para el desarrollo tecnológico.
Los materiales ferroeléctricos tienen la capacidad única de cambiar la dirección de su polarización eléctrica interna, el ligero cambio relativo de carga positiva y negativa en direcciones opuestas, cuando están influenciados por campos eléctricos. Los ferroeléctricos pueden incluso expandirse o contraerse en presencia deun campo eléctrico, lo que los hace útiles para tecnologías donde la energía se convierte entre mecánica y eléctrica.
En este estudio, los científicos utilizaron conceptos topológicos fundamentales con nuevas simulaciones por computadora para investigar el comportamiento a pequeña escala de las nanopartículas ferroeléctricas. Descubrieron que la polarización de las nanopartículas adquiere la estructura anudada de Hopfion presente en reinos aparentemente dispares del universo.
"Las líneas de polarización que se entrelazan en una estructura Hopfion pueden dar lugar a las útiles propiedades electrónicas del material, abriendo nuevas rutas para el diseño de dispositivos de almacenamiento de energía basados en ferroeléctricos y sistemas de información", dijo Valerii Vinokur, científico senior y miembro distinguido enDivisión de Ciencia de Materiales de Argonne: "El descubrimiento también destaca una tendencia repetida en muchas áreas de la ciencia".
¿Qué y dónde en el mundo son Hopfions?
La topología, un subcampo de las matemáticas, es el estudio de las estructuras geométricas y sus propiedades. Una estructura topológica de Hopfion, propuesta por primera vez por el matemático austríaco Heinz Hopf en 1931, surge en una amplia gama de construcciones físicas, pero rara vez se explora en la ciencia convencional.Una de sus características definitorias es que cualquiera de las dos líneas dentro de la estructura Hopfion debe estar unida, constituyendo nudos que varían en complejidad desde unos pocos anillos interconectados hasta un nido de ratas matemático.
"El Hopfion es un concepto matemático muy abstracto", dijo Vinokur, "pero la estructura aparece en hidrodinámica, electrodinámica e incluso en el empaque de moléculas de ADN y ARN en sistemas biológicos y virus".
En hidrodinámica, el Hopfion aparece en las trayectorias de las partículas líquidas que fluyen dentro de una esfera. Con la fricción descuidada, los caminos de las partículas líquidas incompresibles están entrelazados y conectados. Las teorías cosmológicas también reflejan patrones de Hopfion. Algunas hipótesis sugieren que los caminos decada partícula en el universo se entrelaza de la misma manera Hopfion que las partículas líquidas en una esfera.
Según el estudio actual, la estructura de polarización en una nanopartícula ferroeléctrica esférica adquiere este mismo remolino anudado.
Simulando el remolino
Los científicos crearon un enfoque computacional que domó las líneas de polarización y les permitió reconocer las estructuras emergentes de Hopfion en una nanopartícula ferroeléctrica. Las simulaciones, realizadas por el investigador Yuri Tikhonov de la Universidad Federal del Sur y la Universidad de Picardie, modelaron la polarización dentro de las nanopartículasentre 50 y 100 nanómetros de diámetro, un tamaño realista para nanopartículas ferroeléctricas en aplicaciones tecnológicas.
"Cuando visualizamos la polarización, vimos emerger la estructura Hopfion", dijo Igor Luk'yanchuck, científico de la Universidad de Picardie. "Pensamos, wow, hay un mundo entero dentro de estas nanopartículas".
Haga clic aquí para ver el video relacionado, "Simulación de la estructura Hopfion en nanopartículas ferroeléctricas" por Yuri Tikhonov, Universidad de Picardie y la Universidad Federal del Sur de Rusia, y Anna Razumnaya, Universidad Federal del Sur, que revela la estructura Hopfion de las líneas de polarización dentro de una nanopartícula ferroeléctrica
Las líneas de polarización reveladas por la simulación representan las direcciones de los desplazamientos entre las cargas dentro de los átomos, ya que varían alrededor de la nanopartícula de una manera que maximiza la eficiencia energética. Debido a que la nanopartícula está confinada a una esfera, las líneas viajan a su alrededor indefinidamente, sin terminar nuncaen - o escapando - de la superficie. Este comportamiento es paralelo al flujo de un fluido ideal alrededor de un recipiente esférico cerrado.
El vínculo entre el flujo de líquido y la electrodinámica mostrada en estas nanopartículas refuerza un paralelismo teorizado a largo plazo. "Cuando Maxwell desarrolló sus famosas ecuaciones para describir el comportamiento de las ondas electromagnéticas, utilizó la analogía entre hidrodinámica y electrodinámica", dijo Vinokur ".Desde entonces, los científicos han insinuado esta relación, pero demostramos que existe una conexión real y cuantificable entre estos conceptos que se caracteriza por la estructura de Hopfion ".
Los hallazgos del estudio establecen la importancia fundamental de Hopfions para el comportamiento electromagnético de las nanopartículas ferroeléctricas. La nueva visión podría dar como resultado un mayor control de las funcionalidades avanzadas de estos materiales, como su supercapacidad, para aplicaciones tecnológicas.
"Los científicos a menudo ven las propiedades de los ferroeléctricos como conceptos separados que dependen en gran medida de la composición química y el tratamiento", dijo Luk'yanchuck, "pero este descubrimiento puede ayudar a describir muchos de estos fenómenos de una manera unificadora y general".
Otra posible ventaja tecnológica de estas estructuras topológicas a pequeña escala está en la memoria para la computación avanzada. Los científicos están explorando el potencial de los materiales ferroeléctricos para los sistemas computacionales. Tradicionalmente, la polarización volteable de los materiales podría permitirles almacenar información en dosestados separados, generalmente conocidos como 0 y 1. Sin embargo, la microelectrónica hecha de nanopartículas ferroeléctricas podría aprovechar su polarización en forma de Hopfion para almacenar información de formas más complejas.
"Dentro de una nanopartícula, es posible que pueda escribir mucha más información debido a estos fenómenos topológicos", dijo Luk'yanchuck. "Nuestro descubrimiento teórico podría ser un paso innovador en el desarrollo de futuras computadoras neuromórficas que almacenan información de manera más orgánica,como las sinapsis en nuestros cerebros "
Planes futuros
Para realizar estudios más profundos sobre los fenómenos topológicos dentro de la ferroeléctrica, los científicos planean aprovechar las capacidades de supercomputación de Argonne. Los científicos también planean probar la presencia teórica de Hopfions en nanopartículas ferroeléctricas utilizando la Fuente de fotones avanzada APS de Argonne, una Oficina de Ciencia del DOEFacilidad de usuario.
"Vemos estos resultados como un primer paso", dijo Vinokur. "Nuestra intención es estudiar el comportamiento electromagnético de estas partículas mientras consideramos la existencia de Hopfions, así como confirmar y explorar sus implicaciones. Para partículas tan pequeñas,este trabajo solo se puede realizar utilizando un sincrotrón, por lo que tenemos la suerte de poder utilizar el APS de Argonne ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por Savannah Mitchem. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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