Hopfión

Solitón topológico

Modelo de hopfion magnético en un sólido. B _em es el campo magnético emergente (flechas naranjas); en un hopfion, no se alinea con el campo magnético externo (flecha negra).

Un hopfión es un solitón topológico . ^{[1] [2] [3] [4]} Es una configuración localizada tridimensional estable de un campo de tres componentes con una estructura topológica anudada. Son las contrapartes tridimensionales de los skyrmions 2D , que exhiben propiedades topológicas similares en 2D. Los hopfiones se han estudiado ampliamente en muchos sistemas físicos durante el último medio siglo, como se resume aquí http://hopfion.com ${\displaystyle {\vec {n}}=(n_{x},n_{y},n_{z})}$

El solitón es móvil y estable, es decir, está protegido de la desintegración por una barrera de energía . Puede deformarse, pero siempre conserva un invariante topológico de Hopf entero. Recibe su nombre en honor al matemático alemán Heinz Hopf .

Se propuso un modelo que admite hopfiones de la siguiente manera ^[1]

${\displaystyle H=(\partial {\bf {n}})^{2}+(\epsilon _{ijk}{\bf {n}}\cdot \partial _{i}{\bf {n}}\times \partial _{j}{\bf {n}})^{2}}$

Los términos de las derivadas de orden superior son necesarios para estabilizar los hopfiones.

Se predijeron hopfiones estables dentro de varias plataformas físicas, incluidas la teoría de Yang-Mills, ^[5] la superconductividad ^{[6] [7]} y el magnetismo. ^{[8] [9] [10] [4]}

Observación experimental

Se han observado hopfiones experimentalmente en materiales magnéticos coloidales quirales, ^[2] en cristales líquidos quirales, ^{[11] [12]} en multicapas Ir/Co/Pt utilizando dicroísmo circular magnético de rayos X ^[13] y en la polarización de luz monocromática en espacio libre. ^{[14] [15]}

En los imanes quirales, se ha predicho teóricamente que se produciría una variante de fondo helicoidal del hopfión dentro de la fase magnética espiral, donde se lo denominó "heliknoton". ^[16] En los últimos años, también ha surgido el concepto de "hopfión fraccional", donde no todas las preimágenes de magnetización tienen un enlace distinto de cero. ^{[17] [18]}

Véase también

• Skyrmion
• Fibración de Hopf

Referencias

1. Faddeev L, Niemi AJ (1997). "Estructuras estables tipo nudo en la teoría clásica de campos". Nature . 387 (6628): 58–61. arXiv : hep-th/9610193 . Código Bibliográfico :1997Natur.387...58F. doi :10.1038/387058a0. S2CID  4256682.
2. Ackerman PJ, Smalyukh II (2017). "Solitones topológicos tridimensionales estáticos en ferroimanes y coloides quirales fluidos". Nature Materials . 16 (4): 426–432. Bibcode :2017NatMa..16..426A. doi :10.1038/nmat4826. PMID  27992419.
3. Manton N, Sutcliffe P (2004). Solitones topológicos . Cambridge: Cambridge University Press. doi :10.1017/CBO9780511617034. ISBN . 0-511-21141-4.OCLC 144618426  .
4. Kent N, Reynolds N, Raftrey D, Campbell IT, Virasawmy S, Dhuey S, et al. (marzo de 2021). "Creación y observación de Hopfiones en sistemas magnéticos multicapa". Nature Communications . 12 (1): 1562. arXiv : 2010.08674 . Bibcode :2021NatCo..12.1562K. doi : 10.1038/s41467-021-21846-5 . PMC 7946913 . PMID  33692363. 
5. Faddeev L, Niemi AJ (1999). "Variables parcialmente duales en la teoría de Yang-Mills SU(2)". Physical Review Letters . 82 (8): 1624–1627. arXiv : hep-th/9807069 . Código Bibliográfico :1999PhRvL..82.1624F. doi :10.1103/PhysRevLett.82.1624. S2CID  8281134.
6. - Babaev E, Faddeev LD, Niemi AJ (2002). "Simetría oculta y solitones de nudos en un sistema de Bose de dos condensados ​​cargado". Physical Review B . 65 (10): 100512. arXiv : cond-mat/0106152 . Código Bibliográfico :2002PhRvB..65j0512B. doi :10.1103/PhysRevB.65.100512. S2CID  118910995.
7. Rybakov FN, Garaud J, Babaev E (2019). "Excitaciones topológicas de Hopf-Skyrme estables en el estado superconductor". Physical Review B . 100 (9): 094515. arXiv : 1807.02509 . Código Bibliográfico :2019PhRvB.100i4515R. doi :10.1103/PhysRevB.100.094515. S2CID  118991170.
8. Sutcliffe P (junio de 2017). "Nudos de Skyrmion en imanes frustrados". Physical Review Letters . 118 (24): 247203. arXiv : 1705.10966 . Código Bibliográfico :2017PhRvL.118x7203S. doi :10.1103/PhysRevLett.118.247203. PMID  28665663. S2CID  29890978.
9. Rybakov FN, Kiselev NS, Borisov AB, Döring L, Melcher C, Blügel S (2022). "Lúpulos magnéticos en sólidos". Materiales APL . 10 (11). arXiv : 1904.00250 . Código Bib : 2022APLM...10k1113R. doi :10.1063/5.0099942.
10. Voinescu R, Tai JB, Smalyukh II (julio de 2020). "Solitones de Hopf en fondos helicoidales y cónicos de sólidos magnéticos quirales". Physical Review Letters . 125 (5): 057201. arXiv : 2004.10109 . Código Bibliográfico :2020PhRvL.125e7201V. doi :10.1103/PhysRevLett.125.057201. PMID  32794865. S2CID  216036015.
11. Ackerman PJ, Smalyukh II (2017). "Diversidad de solitones de nudos en cristales líquidos manifestada por la vinculación de preimágenes en torones y hopfiones". Physical Review X . 7 (1): 011006. arXiv : 1704.08196 . Código Bibliográfico :2017PhRvX...7a1006A. doi :10.1103/PhysRevX.7.011006.
12. https://newscenter.lbl.gov/2021/04/08/spintronics-tech-a-hopfion-away/ La revolución de la tecnología espintrónica podría estar a solo un salto de distancia – ALS News
13. Kent N, Reynolds N, Raftrey D, Campbell IT, Virasawmy S, Dhuey S, et al. (marzo de 2021). "Creación y observación de Hopfiones en sistemas magnéticos multicapa". Nature Communications . 12 (1): 1562. arXiv : 2010.08674 . Bibcode :2021NatCo..12.1562K. doi : 10.1038/s41467-021-21846-5 . PMC 7946913 . PMID  33692363. 
14. Sugic D, Droop R, Otte E, Ehrmanntraut D, Nori F, Ruostekoski J, et al. (noviembre de 2021). "Topologías similares a partículas en la luz". Nature Communications . 12 (1): 6785. arXiv : 2107.10810 . Bibcode :2021NatCo..12.6785S. doi :10.1038/s41467-021-26171-5. PMC 8608860 . PMID  34811373. 
15. Ehrmanntraut, Daniel; Droop, Ramon; Sugic, Danica; Otte, Eileen; Dennis, Mark; Denz, Cornelia (junio de 2023). "Hopfión esquirmión óptico de segundo orden". Optica . 10 (6): 725–731. Bibcode :2023Optic..10..725E. doi : 10.1364/OPTICA.487989 – vía Optica publishing group.
16. Voinescu, Robert; Tai, Jung-Shen B.; Smalyukh, Ivan I. (27 de julio de 2020). "Solitones de Hopf en fondos helicoidales y cónicos de sólidos magnéticos quirales". Physical Review Letters . 125 (5): 057201. arXiv : 2004.10109 . Código Bibliográfico :2020PhRvL.125e7201V. doi :10.1103/PhysRevLett.125.057201. PMID  32794865.
17. Yu, Xiuzhen; Liu, Yizhou; Iakoubovskii, Konstantin V.; Nakajima, Kiyomi; Kanazawa, Naoya; Nagaosa, Naoto; Tokura, Yoshinori (mayo de 2023). "Realización y dinámica impulsada por la corriente de hopfiones fraccionarios y sus conjuntos en un helimagneto FeGe". Materiales avanzados . 35 (20). Código Bibliográfico :2023AdM....3510646Y. doi : 10.1002/adma.202210646 . ISSN  0935-9648.
18. Azhar, Maria; Kravchuk, Volodymyr P.; Garst, Markus (12 de abril de 2022). "Dislocaciones de tornillos en imanes quirales". Physical Review Letters . 128 (15): 157204. arXiv : 2109.04338 . Código Bibliográfico :2022PhRvL.128o7204A. doi :10.1103/PhysRevLett.128.157204. PMID  35499887.

Enlaces externos

• "Hopfiones en la física moderna". hopfion.com .