科学家研究手性斯格明子在手性花状障碍中的行为

发布时间：2024-02-20 16:41:19 栏目：精选百科

导读 在自然界中，一些鸟类和鱼类(例如成群的椋鸟和沙丁鱼群)的集体运动可以产生令人印象深刻的动态现象。他们的研究构成了活跃物质科学，这在过...

在自然界中，一些鸟类和鱼类(例如成群的椋鸟和沙丁鱼群)的集体运动可以产生令人印象深刻的动态现象。他们的研究构成了活跃物质科学，这在过去三十年来一直是人们非常感兴趣的话题。活性物质独特的集体动力学受到每个个体实体的运动、它们之间的相互作用以及它们与环境的相互作用的控制。最近的研究表明，一些自推进分子和细菌表现出具有固定手性的圆周运动(物体无法通过任意数量的旋转或平移叠加在其镜像上的属性)，这可以使分子和细菌的选择成为可能。基于其动力学而具有特定手性的细菌。然而，对于用于电子设备应用的非生物磁性和铁电材料中的活性物质类物体的研究缺乏。



在这方面，手性斯格明子是有希望的。它们是磁性材料中一种特殊类型的自旋织构，具有不对称交换相互作用，可以视为准粒子。它们带有整数拓扑电荷并具有固定的手性为+1或–1。

最近，以早稻田大学应用物理系Masahito Mochizuki教授为首，包括早稻田大学张熙超博士和信州大学刘晓熙教授在内的一组科学家对手性斯格明子的活性物质行为进行了广泛的研究。他们的论文于 2023 年 12 月 6 日在线发布，并于 2023 年 12 月 27 日发表在《Nano Letters》杂志第 23 卷第 24 期上。

在这项研究中，科学家们将手性斯格明子放置在简单手性花形状的手性纳米结构障碍物中。然后，他们研究了热激活斯格明子与铁磁层中的手性花状障碍物相互作用的随机游走动力学，这可能会产生依赖于拓扑的结果。“我们的研究首次证明，磁性手性斯格明子表现出活跃的类物质行为，尽管它们并非生物起源，甚至只是无形的空间模式，”望月教授强调了他们研究的新颖性。

手性为-1的斯格明子有可能留下左手性花，手性为+1的斯格明子有可能留下右手性花。研究人员进行了一系列模拟，观察斯格明子在不同温度(100 K、150 K、180 K 和 200 K)下这两种情况下的行为。他们将模拟时间设置为 500 ns，时间步长为 0.5 ns。研究小组发现，根据变量的组合，斯格明子要么留在障碍物内，要么逃脱障碍物。由于斯格明子的运动是由于温度相关的布朗运动而产生的，而布朗运动本质上是无序的，因此这是一个通过无序运动获得有序结果的有趣例子。值得注意的是，该系统可用于开发拓扑排序设备。

当被问及他们的工作的长期影响时，刘教授表示：“我们的研究成果可能有助于构建具有高存储密度和低功耗的未来信息处理和计算设备。”

“从长远来看，它们可能为非常规电子和自旋电子硬件的设计和开发提供指导，其中信息由纳米结构中的拓扑自旋纹理携带。这一成就预计将改善人们的生活，因为他们将能够以节能的方式处理信息，从而建立一个更加绿色的社会。”张博士总结道。