磁場(chǎng)中隱藏著幽靈般的形狀。
它們不像閃電或光束那樣由物質(zhì)構(gòu)成。閃電將一組電子從天空一直帶到地面，而照射到你臉上的陽(yáng)光則大部分是由從太陽(yáng)傳播數(shù)百萬(wàn)英里來(lái)到地球的光子組成的。
但是磁場(chǎng)包含了一種叫做斯格明子(skyrmion)的東西，它不同于電子和光子;斯格明子是相互環(huán)繞的磁場(chǎng)線組成的結(jié)。當(dāng)它從一個(gè)點(diǎn)飄移到另一個(gè)點(diǎn)時(shí)，斯格明子就會(huì)從已經(jīng)存在的磁力線中重生。這種磁場(chǎng)線結(jié)之所以能夠緊密地結(jié)合在一起，是因?yàn)榇帕€相互之間無(wú)法通過(guò)。所以，雖然斯格明子是無(wú)形的，并且與我們習(xí)慣思考的物體不同，但它們的行為更像是有形的東西。
物理學(xué)家稱這些斯格明子為“準(zhǔn)粒子”，他們還懷疑斯格明子可以解釋像球狀閃電和原子的核結(jié)構(gòu)這樣的奇異現(xiàn)象?，F(xiàn)在，在一篇新的論文中，研究人員表明，斯格明子可以相互填充，呈現(xiàn)出一種全新的形狀。研究人員說(shuō)，這些膨脹的“斯格明子袋子”本身就是很吸引人的東西，而且這些奇怪的東西也可能對(duì)未來(lái)的計(jì)算有用。
把它們裝進(jìn)“袋子”里
研究小組在4月1日發(fā)表在《自然物理》雜志上的一篇論文中揭示了斯格明子袋的概念。這個(gè)研究結(jié)果依賴于幽靈準(zhǔn)粒子和固體物質(zhì)之間的一個(gè)關(guān)鍵相似性：反粒子。
就像質(zhì)子有在相互接觸時(shí)會(huì)相互湮滅的對(duì)應(yīng)反質(zhì)子一樣，斯格明子也有反斯格明子。
“反斯格明子是所有參數(shù)都顛倒的斯格明子，”這項(xiàng)新研究的主要作者之一、英國(guó)伯明翰大學(xué)(University of Birmingham)物理學(xué)家戴維·福斯特(David Foster)說(shuō)。
所以，如果斯格明子的磁場(chǎng)線指向北，反斯格明子的磁場(chǎng)線就指向南，反斯格明子和斯格明子是相互強(qiáng)烈排斥的。研究人員說(shuō)，這個(gè)特質(zhì)被證明是制造斯格明子袋子的關(guān)鍵。
“如果我拿一個(gè)斯格明子，然后把它拉伸一點(diǎn)，再拿一個(gè)反斯格明子，把它放在斯格明子的中心……它們就不會(huì)相互湮滅。這是一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，”福斯特說(shuō)。
更重要的是，研究人員意識(shí)到，一旦一個(gè)斯格明子被拉伸，你就可以在里面塞進(jìn)更多的反斯格明子。
福斯特說(shuō)，意識(shí)到這一點(diǎn)之后，一個(gè)6年前提出的讓斯格明子發(fā)揮作用的想法得到了實(shí)現(xiàn)的可能。
斯格明子存儲(chǔ)
早在2013年，三位研究人員就在《自然納米技術(shù)》雜志上提出了一種理論上的“斯格明子賽道存儲(chǔ)設(shè)備”。
他們的想法是，這些小小的磁性圖案可能會(huì)為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)基本問(wèn)題：耗電量，提供一個(gè)解決方案。
福斯特說(shuō)：“一種老式的硬盤，就是那種旋轉(zhuǎn)的磁盤，需要很大的能量。”
2013年研究人員提出的低功耗替代方案利用的是一個(gè)物理事實(shí)：只要非常小的電流就可以導(dǎo)致磁表面上的斯格明子快速移動(dòng)。
這些研究人員建議，如果你拿一條長(zhǎng)而薄的磁性材料(賽道)，并且在上面裝上多個(gè)斯格明子，你就可以將數(shù)據(jù)編碼到這些準(zhǔn)粒子之間的磁性材料間隙中。例如，磁閱讀器可以將斯格明子之間的長(zhǎng)間隙解釋為二進(jìn)制的1，而將短間隙解釋為二進(jìn)制的0。
為了讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，電流可以推動(dòng)斯格明子在磁閱讀器下來(lái)回移動(dòng)，而將斯格明子在磁性表面來(lái)回移動(dòng)只需要很少的能量，因此這個(gè)想法產(chǎn)生的設(shè)備可能非常高效。
不過(guò)福斯特說(shuō)這個(gè)想法也存在一些基本問(wèn)題：雖然斯格明子相當(dāng)穩(wěn)定，但它們之間的間距并不穩(wěn)定。隨著時(shí)間的推移，當(dāng)斯格明子來(lái)回移動(dòng)時(shí)，磁條上的缺陷會(huì)打亂數(shù)據(jù)。
“雜散磁場(chǎng)摻雜進(jìn)來(lái)了，這就像出現(xiàn)又消失的減速帶。隨著這些間隙的出現(xiàn)和消失，斯格明子之間的間隙將會(huì)消失，”福斯特說(shuō)。
斯格明子袋如何解決這個(gè)問(wèn)題
福斯特說(shuō)，真正有趣的是，斯格明子袋不會(huì)隨著時(shí)間的推移或者在穿過(guò)磁性“減速帶”的時(shí)候丟失反斯格明子。
在這項(xiàng)新研究中，研究人員寫道，把一堆斯格明子袋放在一個(gè)賽道設(shè)備上，一臺(tái)電腦就可以利用閱讀器，根據(jù)每個(gè)袋里的反斯格明子粒子的數(shù)量進(jìn)行編碼和讀取數(shù)據(jù)。
福斯特說(shuō)：“我的同事們也對(duì)通過(guò)這種方式增加數(shù)據(jù)密度的想法感到非常興奮。”
他說(shuō)，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)只依賴于1和0，而斯格明子袋系統(tǒng)可以使用0、1、2、3等等。這將為更復(fù)雜的數(shù)據(jù)編碼形式打開(kāi)大門，與傳統(tǒng)的二進(jìn)制方法相比，這種編碼方式可以在給定的空間中存儲(chǔ)更多的信息。
液晶測(cè)試
目前還沒(méi)有人能在磁條上制作出斯格明子袋，但是，在使用計(jì)算機(jī)模擬測(cè)試了這個(gè)概念之后，福斯特和他在英國(guó)的團(tuán)隊(duì)求助于科羅拉多大學(xué)的一組研究人員去制造已知的第一個(gè)斯格明子袋。
物理學(xué)家通常認(rèn)為斯格明子是存在于磁場(chǎng)中的東西。但是這些粒子也可以存在于其他物質(zhì)中，比如筆記本電腦和一些手機(jī)屏幕上的液晶——排列整齊的、剛性的、棒狀的分子。
由實(shí)驗(yàn)員伊萬(wàn)·斯馬利克領(lǐng)導(dǎo)的科羅拉多大學(xué)研究小組用精密的“光鑷子”在液晶中“繪制”了斯格明子袋，實(shí)驗(yàn)室的一名物理學(xué)研究生Tai Jung-Shen說(shuō)。
當(dāng)研究人員通過(guò)顯微鏡觀察這些斯格明子袋時(shí)，它們?cè)诰w物質(zhì)中仍然非常穩(wěn)定，福斯特說(shuō)，這(加上計(jì)算機(jī)模擬)有力地證明斯格明子袋在磁鐵中可能也很穩(wěn)定。
到目前為止，還沒(méi)有人報(bào)道建造出了任何真實(shí)的賽道存儲(chǔ)設(shè)備，更不用說(shuō)依靠斯格明子袋的存儲(chǔ)設(shè)備了，但福斯特堅(jiān)稱這樣的設(shè)備即將問(wèn)世。
他說(shuō)：“我已經(jīng)知道人們正在爭(zhēng)取撥款來(lái)做這些事情。”
