Yeni içgörü, evrenin beklenmedik köşesinde topolojik karışıklığı ortaya çıkarıyor

Yeni içgörü, evrenin beklenmedik köşesinde topolojik karışıklığı ortaya çıkarıyor
Yazıyı beğendiyseniz lütfen Paylaşın

[ad_1]
Görüntü ferroelektrik nanoparçacık içindeki bazı polarizasyon hatlarını göstermektedir. Çizgiler bir Hopfion topolojik yapısına girer. Kredi: Picardie Üniversitesi ve Rusya’nın Güney Federal Üniversitesi Yuri Tikhonov ve Güney Federal Üniversitesi Anna Razumnaya tarafından görüntü

Tıpkı bir edebiyat tutkunu, tekrar eden temalar için bir roman keşfedebileceği gibi, fizikçiler ve matematikçiler de doğada mevcut tekrar yapıları ararlar.

Örneğin, bilim adamlarının Hopfion dediği belirli bir geometrik düğüm yapısı, parçacık fiziğinden biyolojiye, kozmolojiye kadar evrenin beklenmedik köşelerinde kendini gösterir. Fibonacci spirali ve altın oran gibi, Hopfion deseni farklı bilimsel alanları birleştirir ve yapısının ve etkisinin daha derin anlaşılması, bilim insanlarının dönüştürücü teknolojiler geliştirmelerine yardımcı olacaktır.

Son zamanlarda yapılan bir teorik çalışmada, ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndan bilim adamları, Fransa’daki Picardie Üniversitesi ve Rusya’daki Güney Federal Üniversitesi ile işbirliği içinde, nano boyutlu parçacıklarda Hopfion yapısının varlığını keşfettiler. ferroelektrik — mikroelektronik ve bilgi işlem alanında ümit vaat eden uygulamalar.

Nanoparçacıklarda Hopfion yapısının tanımlanması, farklı ölçeklerde doğa mimarisinde çarpıcı bir desene katkıda bulunur ve yeni anlayış, teknolojik gelişme için ferroelektrik malzeme modellerini bilgilendirebilir.

Ferroelektrik malzemeler, elektrik alanlarından etkilendiklerinde, iç elektrik polarizasyonlarının yönünü (ters yönde pozitif ve negatif yükün hafif, göreceli kayması) ters çevirme yeteneğine sahiptir. Ferroelektrik, bir elektrik alanın varlığında bile genişleyebilir veya daralabilir, bu da enerjinin mekanik ve elektrik arasında dönüştürüldüğü teknolojiler için yararlı olmasını sağlar.

Bu çalışmada, bilim adamları ferroelektrik nanoparçacıkların küçük ölçekli davranışını araştırmak için temel bilgisayarbilim kavramlarını yeni bilgisayar simülasyonları ile kullandılar. Nanopartiküllerin kutuplaşmasının, evrenin görünüşte birbirinden farklı alemlerinde bulunan düğümlü Hopfion yapısını aldığını keşfettiler.

Argonne Materyalleri üst düzey bilim adamı ve Değerli Üyesi Valerii Vinokur, “Bir Hopfion yapısıyla iç içe geçen polarizasyon hatları, malzemenin yararlı elektronik özelliklerine yol açarak ferroelektrik tabanlı enerji depolama cihazlarının ve bilgi sistemlerinin tasarımı için yeni yollar açabilir.” Dedi. Bilim bölümü. “Keşif, bilimin birçok alanında tekrarlanan bir eğilimi de vurguluyor.”

Yeni içgörü, evrenin beklenmedik köşesinde topolojik karışıklığı ortaya çıkarıyor
Gösterilen kutuplaşma okları boyunca iz yolları – bir kafanın arkasındaki girdaptaki kılların izleme yolları gibi – simülasyonlardaki çizgileri üretir. Kredi: Picardie Üniversitesi ve Rusya’nın Güney Federal Üniversitesi Yuri Tikhonov ve Güney Federal Üniversitesi Anna Razumnaya tarafından görüntü

Dünyada ne (ve nerede) Hopfionlar?

Matematiğin bir alt alanı olan topoloji, geometrik yapıların ve özelliklerinin incelenmesidir. İlk olarak 1931’de Avusturyalı matematikçi Heinz Hopf tarafından önerilen bir Hopfion topolojik yapısı, çok çeşitli fiziksel yapılarda ortaya çıkar, ancak ana akım bilimde nadiren araştırılır. Tanımlayıcı özelliklerinden biri, Hopfion yapısı içindeki herhangi iki çizginin birbirine bağlı olması ve birbirine bağlı birkaç halkadan matematiksel bir sıçanın yuvasına kadar karmaşıklık gösteren düğümler oluşturmasıdır.

“Hopfion çok soyut bir matematiksel kavram,” dedi Vinokur, “ama yapı hidrodinamik, elektrodinamik ve hatta biyolojik sistemlerde ve virüslerde DNA ve RNA moleküllerinin paketlenmesinde ortaya çıkıyor.”

Hidrodinamikte, Hopfion bir kürenin içinden akan sıvı parçacıkların yörüngelerinde görülür. Sürtünme ihmal edildiğinde, sıkıştırılamaz sıvı parçacıkların yolları iç içe geçer ve bağlanır. Kozmolojik teoriler Hopfion kalıplarını da yansıtır. Bazı hipotezler evrendeki her parçacığın yollarının kendilerini bir küredeki sıvı parçacıklarıyla aynı Hopfion tarzında iç içe geçtiklerini ileri sürmektedir.

Mevcut çalışmaya göre, küresel bir ferroelektrik nanoparçacıktaki polarizasyon yapısı aynı düğümlü girdabı alır.

Girdap simülasyonu

Bilim adamları, polarizasyon hatlarını evcilleştiren ve ferroelektrik nanoparçacıkta ortaya çıkan Hopfion yapılarını tanımalarını sağlayan bir hesaplama yaklaşımı oluşturdular. Güney Federal Üniversitesi ve Picardie Üniversitesi’nden araştırmacı Yuri Tikhonov tarafından gerçekleştirilen simülasyonlar, teknolojik uygulamalarda ferroelektrik nanoparçacıklar için gerçekçi bir boyut olan 50 ila 100 nanometre çapındaki nanopartiküller içindeki polarizasyonu modelledi.

Picardie Üniversitesi’nden bir bilim adamı olan Igor Luk’yanchuck, “Kutuplaşmayı görselleştirdiğimizde Hopfion yapısının ortaya çıktığını gördük.” Dedi. “Vay, bu nanoparçacıkların içinde bütün bir dünya olduğunu düşündük.”

(Yerleştirme) https://www.youtube.com/watch?v=k_EscPFn7M0 (/ yerleştirme)

Simülasyon, ferroelektrik nanoparçacık içindeki polarizasyon hatlarının Hopfion yapısını gösterir. (Video: Picardie Üniversitesi ve Rusya’nın Güney Federal Üniversitesi Yuri Tikhonov ve Güney Federal Üniversitesi Anna Razumnaya.)

Simülasyon tarafından ortaya çıkarılan polarizasyon hatları, atomlar içindeki yükler arasındaki yer değiştirmelerin yönlerini temsil eder, çünkü bunlar nanoparçacık etrafında enerji verimliliğini en üst düzeye çıkaracak şekilde değişir. Nanoparçacık bir küre ile sınırlı olduğu için, çizgiler sınırsız bir şekilde onun etrafında dolaşır, asla yüzeyde sonlanmaz – veya yüzeyden kaçmaz. Bu davranış, kapalı, küresel bir kap etrafındaki ideal bir sıvının akışına paraleldir.

Sıvı akışı ve bu nanoparçacıklarda gösterilen elektrodinamik arasındaki bağlantı, uzun teorileşmiş bir paralellik sağlar. Vinokur, “Maxwell ünlü denklemlerini elektromanyetik dalgaların davranışını tanımlamak için geliştirdiğinde hidrodinamik ve elektrodinamik arasındaki benzerliği kullandı” dedi. “Bilim adamları o zamandan beri bu ilişkiyi ima etti, ancak Hopfion yapısı ile karakterize edilen bu kavramlar arasında gerçek, ölçülebilir bir bağlantı olduğunu gösterdik.”

Çalışmanın bulguları Hopfions’ın ferroelektrik nanoparçacıkların elektromanyetik davranışına temel önemini ortaya koymaktadır. Yeni içgörü, teknolojik uygulamalar için bu malzemelerin süper kapasiteleri gibi gelişmiş işlevlerinin daha fazla kontrol edilmesine neden olabilir.

Luk’yanchuck, “Bilim adamları ferroelektriklerin özelliklerini genellikle kimyasal bileşime ve tedaviye son derece bağımlı olan ayrı kavramlar olarak görüyorlar,” dedi ancak bu keşif, bu fenomenlerin çoğunu birleştirici, genel bir şekilde tanımlamaya yardımcı olabilir. ”

Bu küçük ölçekli topolojik yapıların bir diğer olası teknolojik avantajı, gelişmiş bilgi işlem için hafızadır. Bilim adamları, hesaplama sistemleri için ferroelektrik malzemelerin potansiyelini araştırıyorlar. Geleneksel olarak, malzemelerin çevrilebilir polarizasyonu, bilgiyi genellikle 0 ve 1 olarak adlandırılan iki ayrı durumda depolayabilmelerini sağlayabilir. Bununla birlikte, ferroelektrik nanoparçacıklardan yapılan mikroelektronikler, bilgileri depolamak için Hopfion şekilli polarizasyonlarından yararlanabilir daha karmaşık yollar.

Luk’yanchuck, “Bir nanoparçacık içinde, bu topolojik olaylardan dolayı çok daha fazla bilgi yazabilirsiniz.” Dedi. “Teorik keşifimiz, beynimizdeki sinapslar gibi bilgileri daha organik olarak depolayan gelecekteki nöromorfik bilgisayarların geliştirilmesinde çığır açan bir adım olabilir.”

Gelecek planları

Bilim adamları, ferroelektriklerde topolojik fenomenler üzerinde daha derin çalışmalar yapmak için, Argonne’nin süper hesaplama yeteneklerinden yararlanmayı planlıyorlar. Bilim adamları ayrıca bir DOE Bilim Ofisi Kullanıcı Tesisi olan Argonne’nin Gelişmiş Foton Kaynağı (APS) kullanarak ferroelektrik nanoparçacıklarda Hopfionların teorik varlığını test etmeyi planlıyorlar.

Vinokur, “Bu sonuçları ilk adım olarak görüyoruz.” Dedi. “Amacımız, Hopfionların varlığını düşünürken bu parçacıkların elektromanyetik davranışını incelemek, aynı zamanda etkilerini doğrulamak ve araştırmaktır. Bu tür küçük parçacıklar için, bu çalışma sadece bir senkrotron kullanılarak gerçekleştirilebilir, bu yüzden şanslıyız. Argonne’nin APS’sini kullanabilir. ”

Araştırmaya dayalı bir makale olan “Ferroelektrikte Hopfions ortaya çıkıyor” Doğa İletişimi 15 Mayıs.


Yeni ferroelektrik çalışması, nöromorfik hesaplama için çok değerli mantığa yol haritası sunuyor


[ad_2]

Kaynak

admin

admin

Talebemektebi bir sevdanın hikayesi

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Translate »