Vznemirljive mreže vrtincev

Ko je oktobra lani švedska kraljeva akademija objavila odločitev o Nobelovi nagradi za fiziko za leto 2016, je razen matematikom in fizikom le malokomu bilo znano, kaj topologija, abstraktna matematična metoda, lahko konkretnega pomeni v življenju posameznika. Študija, nedavno objavljena v znameniti reviji Nature Physics, pod katero sta kot glavna avtorja podpisana slovenska raziskovalca, to zdaj deloma razkriva.

V laboratoriju prof. Igorja Muševiča na Institutu Jožef Stefan v Ljubljani je namreč zadnjih pet let mednarodna raziskovalna skupina z optičnim mikroskopom raziskovala zelo tanke plasti vijačnega tekočega kristala. Raziskovalci – v raziskovalni skupini so sodelovali Andriy Nych, Jun-ichi Fukuda, Ulyana Ognysta ter Slobodan Žumer in Igor Muševič z IJS in Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani – so v teh tankih plasteh vijačnega tekočega kristala opazili nekaj, kar so znanstveniki že prej domnevali, vendar v tekočih kristalih nikoli do zdaj videli: opazili so vrtinčaste strukture, imenovane skirmioni.

Z numeričnim modeliranjem so omenjeni raziskovalci potrdili, da je v tekočem kristalu spontano nastala skirmionska mreža, ki so jo že pred leti napovedali s simulacijami, doslej pa opazili le v tankih plasteh vijačnih magnetov. Zato ni presenetljivo, da je te rezultate objavila ugledna revija Nature Physics.

Obeti za shranjevanje informacij

Raziskava, kot so sporočili z IJS, obeta globlje razumevanje praktične uporabe vrtinčastih magnetnih nanostruktur za shranjevanje informacij. Z uvodoma omenjeno Nobelovo nagrado za fiziko ima skupnega to, da je vrtinčasta struktura snovi v fiziki snovi dokaj eksotičen pojav, ki pa je za fizike nadvse zanimiv, ker povezuje fiziko realnega sveta s posebno vejo matematike, imenovano topologija. Torej s tem, zaradi česar so David Thouless, Duncan Haldane in Michael Kosterlitz dobili Nobelovo nagrado za razumevanje narave vrtinčastih struktur v superprevodnikih, superfluidnih in eksotičnih magnetih.

Medtem ko je v teh superprevodnikih, ki so bili deležni Nobelove nagrade, vrtince izredno težko opaziti, saj je treba snov ohladiti tako rekoč do absolutne ničle, pa jih fiziki – kar je uspelo skupini v laboratoriju Igorja Muševiča na IJS – lahko v tekočem kristalu opazijo z optičnim mikroskopom pri sobni temperaturi.

Od lasišča do kože na prstih

Na vrtince v vsakdanjem življenju sicer pogosto naletimo, pojasnjujejo na IJS. Marsikdo je že v živo opazoval vrtince v deroči vodi, nekateri pa verjetno – iz varne razdalje – vrtinčasti lijak tropskega orkana. Tudi pri živih bitjih srečamo vrtinčaste strukture in sorodne topološke nepravilnosti. Najbolj vsakdanja pojava sta vrtinec v človeškem lasišču ali bolj zapleten vrtinec na koži prstov vsakega od nas. Fizike narava in pojavnost vrtinčastih topoloških struktur močno zanimata prav zato, ker obstajajo na tako zelo različnih področjih, od fizike prek matematike do biologije.

Objavljeno delo o vrtincih v tekočih kristalih ponuja neposreden vpogled v naravo topološke snovi, ki je trenutno eno od žarišč sodobne fizike, so sporočili z Instituta Jožef Stefan. Delo pa nadalje obeta tudi globlje razumevanje praktične uporabe vrtinčastih magnetnih nanostruktur za shranjevanje informacij.