Así como un aficionado a la literatura podría explorar una novela en busca de temas recurrentes, Los físicos y 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, a la biología, a la cosmología. Como la espiral de Fibonacci y la proporción áurea, el patrón Hopfion une 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, descubrió la presencia de la estructura Hopfion en nanopartículas de ferroeléctricos, materiales con aplicaciones prometedoras en microelectrónica e informática.

La identificación de la estructura de Hopfion en las nanopartículas contribuye a un patrón sorprendente en la arquitectura de la naturaleza a diferentes escalas. y el nuevo conocimiento podría informar modelos de materiales ferroeléctricos para el desarrollo tecnológico.

Los materiales ferroeléctricos tienen la capacidad única de cambiar la dirección de su polarización eléctrica interna:la ligera, desplazamiento relativo de carga positiva y negativa en direcciones opuestas, cuando está influenciado por campos eléctricos. Los ferroeléctricos pueden incluso expandirse o contraerse en presencia de un campo eléctrico, haciéndolos útiles para tecnologías donde la energía se convierte entre mecánica y eléctrica.

En este estudio, Los científicos aprovecharon los 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, abrir nuevas rutas para el diseño de dispositivos de almacenamiento de energía y sistemas de información de base ferroeléctrica, "dijo Valerii Vinokur, científico senior y miembro distinguido de la división 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 los Hopfions?

Topología un subcampo de las matemáticas, es el estudio de estructuras geométricas y sus propiedades. Una estructura topológica de Hopfion, propuesto por primera vez por el matemático austriaco 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 dos líneas cualesquiera dentro de la estructura de Hopfion deben estar vinculadas, 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 se muestra en hidrodinámica, electrodinámica e incluso en el empaquetado de moléculas de ADN y ARN en sistemas biológicos y virus ".

En hidrodinámica, el Hopfion aparece en las trayectorias de 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 los patrones de Hopfion. Algunas hipótesis sugieren que las trayectorias de cada partícula del universo se entrelazan de la misma manera 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 dominó las líneas de polarización y les permitió reconocer las estructuras emergentes de Hopfion en una nanopartícula ferroeléctrica. Las simulaciones realizado por el investigador Yuri Tikhonov de la Universidad Federal del Sur y la Universidad de Picardie, modeló la polarización dentro de nanopartículas entre 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, un científico de la Universidad de Picardie. "Pensamos, Guau, hay un mundo entero dentro de estas nanopartículas ".

Las líneas de polarización reveladas por la simulación representan las direcciones de los desplazamientos entre 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, nunca terminar en la superficie ni escapar de ella. Este comportamiento es paralelo al flujo de un fluido ideal sobre un cerrado, recipiente esférico.

El vínculo entre el flujo de líquido y la electrodinámica mostrada en estas nanopartículas refuerza un paralelismo teorizado desde hace mucho tiempo. "Cuando Maxwell desarrolló sus famosas ecuaciones para describir el comportamiento de las ondas electromagnéticas, usó la analogía entre hidrodinámica y electrodinámica, ", dijo Vinokur." Desde entonces, los científicos han insinuado esta relación, pero demostramos que hay un real, conexión cuantificable entre estos conceptos que se caracteriza por la estructura Hopfion ".

Los hallazgos del estudio establecen la importancia fundamental de los Hopfions para el comportamiento electromagnético de las nanopartículas ferroeléctricas. La nueva información podría resultar en 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, forma general ".

Otra posible ventaja tecnológica de estas estructuras topológicas a pequeña escala está en la memoria para computación avanzada. Los científicos están explorando el potencial de los materiales ferroeléctricos para sistemas computacionales. Tradicionalmente, la polarización invertible de los materiales podría permitirles almacenar información en dos estados separados, generalmente conocido 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 nuestro cerebro ".

Planes futuros

Para realizar estudios más profundos sobre los fenómenos topológicos dentro de los ferroeléctricos, los científicos planean aprovechar las capacidades de supercomputación de Argonne. Los científicos también planean probar la presencia teórica de Hopfions en nanopartículas ferroeléctricas usando la Fuente de Fotones Avanzados (APS) de Argonne. una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"Consideramos estos resultados como un primer paso, ", dijo Vinokur." Nuestra intención es estudiar el comportamiento electromagnético de estas partículas considerando 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 eso tenemos la suerte de poder utilizar el APS de Argonne ".

Un artículo basado en el estudio, "Los lúpulos emergen en los ferroeléctricos, "apareció en línea en Comunicaciones de la naturaleza el 15 de mayo.