Il y a des formes fantomatiques cachées dans les champs magnétiques.
Ils ne sont pas faits de choses comme un éclair ou un faisceau de lumière. Un boulon d'éclairage transporte un groupe d'électrons assez défini du ciel jusqu'au sol. Le soleil qui frappe votre visage se compose principalement des mêmes photons qui ont voyagé à des millions de kilomètres du soleil.
Mais les champs magnétiques contiennent des choses appelées skyrmions qui sont différentes des électrons et des photons; un skyrmion est un nœud de lignes de champ magnétique bouclant les unes sur les autres. Alors qu'il dérive d'un endroit à l'autre, un skyrmion se reconstitue à partir des lignes de champ magnétique qui s'y trouvent déjà. Le nœud tient ensemble parce que les lignes de champ magnétique résistent à se traverser. Ainsi, alors que les skyrmions sont insignifiants et différents des objets auxquels nous sommes habitués, ils agissent comme des choses plus tangibles.
Les physiciens appellent ces skyrmions des «quasiparticules» et soupçonnent qu'ils pourraient expliquer des phénomènes aussi disparates que la foudre en boule et la structure nucléaire d'un atome. Maintenant, dans un nouvel article, les chercheurs ont montré que les skyrmions peuvent être empilés les uns dans les autres, prenant une forme complètement nouvelle. Ces "sacs de skyrmion" gonflés sont des objets fascinants à part entière, mais les choses bizarres pourraient également être utiles pour l'informatique futuriste, ont déclaré les chercheurs.
Stuff 'em dans un sac
L'équipe a révélé les sacs de skyrmion dans un article publié le 1er avril dans la revue Nature Physics. Le résultat repose sur une similitude clé entre les quasiparticules fantomatiques et la matière solide: l'existence d'antiparticules.
Tout comme les protons ont des antiprotons homologues qui s'annihilent au contact les uns des autres, les skyrmions ont des antiskyrmions.
"Un antiskyrmion est un skyrmion où tous les nombres sont inversés", a déclaré David Foster, physicien à l'Université de Birmingham en Angleterre et l'un des principaux auteurs de la nouvelle étude.
Donc, si une ligne de champ magnétique pointe vers le nord dans un skyrmion, elle pointe vers le sud dans un antiskyrmion. Mais les antiskyrmions et les skyrmions se repoussent puissamment. Cela s'est avéré être la clé de la construction de sacs de skyrmion, ont déclaré les chercheurs.
"Si je prends un skyrmion et que je l'étire un peu et que je prends un antiskyrmion et que je le place au centre de celui-ci ... ils ne s'anéantiront pas. C'est une construction stable", a déclaré Foster à Live Science.
De plus, les chercheurs ont réalisé qu'une fois un skyrmion étiré, vous pouvez y fourrer encore plus d'antiskyrmions.
Et cette prise de conscience, a déclaré Foster, a ouvert à nouveau la porte à une idée de six ans sur la mise au travail des skyrmions.
Stockage de Skyrmion
En 2013, un trio de chercheurs a proposé un «dispositif de mémoire de piste de skyrmion» dans la revue Nature Nanotechnology.
L'idée était que les petits motifs magnétiques pouvaient offrir une solution à un problème fondamental de la conception informatique: la consommation d'électricité.
"Si vous considérez un disque dur à l'ancienne, qui est une sorte de disque en rotation, cela prend beaucoup de puissance", a déclaré Foster.
Le remplacement à faible puissance proposé par les chercheurs de 2013 profiterait du fait qu'un très petit courant fait rapidement avancer les skyrmions sur une surface magnétique.
Ces chercheurs ont peut-être suggéré que si vous preniez une longue et mince bande de matériau magnétique (l'hippodrome) et que vous la chargiez de skyrmions, vous pourriez encoder des données dans le matériau magnétique dans les espaces entre les quasiparticules. Un lecteur magnétique pourrait interpréter un espace long entre les skyrmions comme un binaire 1 et un espace court comme un binaire 0, par exemple.
Pour récupérer ces données stockées, alors, un courant électrique pourrait pousser les skyrmions à se déplacer d'avant en arrière sous un lecteur magnétique. Il faut très peu de puissance pour déplacer les skyrmions d'avant en arrière le long d'une surface magnétique, de sorte que le dispositif résultant pourrait être très efficace.
Mais l'idée avait quelques problèmes de base, a déclaré Foster. Bien que les skyrmions soient assez stables, les écarts entre eux ne le sont pas. Au fil du temps, les imperfections des bandes magnétiques embrouilleraient les données lorsque les skyrmions se déplaçaient d'avant en arrière.
"Des champs magnétiques parasites entrent. Et c'est comme des ralentisseurs qui apparaissent et disparaissent. Et avec ces écarts qui apparaissent et disparaissent, les écarts entre votre volonté ont été perdus", a déclaré Foster.
Comment les sacs pourraient résoudre le problème
La chose vraiment intéressante ici, a déclaré Foster, est que les sacs de skyrmion ne perdent pas d'antiskyrmions au fil du temps ou lorsqu'ils passent sur des "ralentisseurs" magnétiques.
Mettez un tas de sacs de skyrmion sur un appareil de course, ont écrit les chercheurs de la nouvelle étude, et un ordinateur pourrait coder et récupérer des données en fonction du nombre d'antiskyrmions dans chaque sac qui passent sous le lecteur.
"Mes collègues sont vraiment ravis à l'idée que vous puissiez également augmenter la densité des données de cette façon", a déclaré Foster.
Lorsque le stockage informatique conventionnel ne repose que sur 1 et 0, a-t-il déclaré, un système de sac skyrmion pourrait utiliser des 0, 1, 2, 3 et ainsi de suite. Cela ouvrirait la porte à des formes beaucoup plus complexes d'encodage de données qui pourraient contenir beaucoup plus d'informations dans un espace donné qu'une méthode binaire traditionnelle.
Le test des cristaux liquides
Personne n'a encore réussi à fabriquer un sac de skyrmion sur une bande magnétique. Mais après avoir testé le concept à l'aide de simulations informatiques, Foster et son équipe au Royaume-Uni se sont tournés vers un groupe de chercheurs de l'Université du Colorado pour apporter les premiers sacs de skyrmion connus au monde.
En règle générale, les physiciens considèrent les skyrmions comme des choses qui existent dans les champs magnétiques. Mais les particules peuvent également exister dans d'autres substances, comme les cristaux liquides - des molécules alignées, rigides et en forme de tige - qui remplissent les écrans de votre ordinateur portable et de certains téléphones portables.
Avec des "pincettes optiques" de précision, l'équipe de l'Université du Colorado (dirigée par l'expérimentateur Ivan Smalyukh) "a dessiné" des sacs de skyrmion dans les cristaux liquides, a déclaré Jung-Shen Tai, un étudiant diplômé en physique du laboratoire.
Ces sacs de skyrmion sont restés indélébiles dans la substance cristalline et visibles lorsque les chercheurs les ont observés à travers des microscopes. Cela (avec la simulation informatique) est une preuve solide que les sacs de skyrmion seraient également stables dans les aimants, a déclaré Foster.
Jusqu'à présent, personne n'a signalé avoir construit de dispositifs de stockage sur circuit réel, encore moins des dispositifs de stockage reposant sur des sacs skyrmion. Mais de tels appareils arrivent, a insisté Foster.
"Je sais déjà que les gens travaillent sur des subventions pour faire ces choses", a-t-il déclaré.
