Физики заморозили топологические солитоны в жидких кристаллах

Ученым из Колорадского университета в Боулдере удалось создать условия для устойчивого наблюдения разнообразных трехмерных заузленных структур в среде из жидких кристаллов. До этого подобные образования удалось реализовать только в нескольких экспериментах, причем время их жизни было настолько мало, что препятствовало какому бы то ни было детальному изучению. Исследование опубликовано в журнале Physical Review X.

Идее о топологических солитонах уже несколько сотен лет: еще Карл Гаусс в начале XIX века предположил, что трехмерные узлы из магнитных или электрических силовых линий могут вести себя подобно частицам. В современной физике и космологии идею топологических солитонов использует множество моделей. Такую структуру можно представить следующим образом: возьмем два или более кольца, соединим их в цепь, потом исказим различными кручениями и продеваниями друг в друга и, наконец, встроим в поверхность — так получится нечто похожее на топологический солитон. Однако математически более правильное их описание таково: эти объекты являются 3-сферами (то есть поверхностями четырехмерных шаров), которые переносятся в трехмерное пространство посредством расслоения Хопфа.

«Наша работа дает начало численным и экспериментальным подходам к детальному исследованию трехмерных топологических солитонов, при этом предоставляя преимущества прямого сравнения экспериментальных и теоретических результатов, и с потенциальным влиянием на многие разделы физики и математической топологии, — говорит один из авторов Иван Смалых. — Наша работа не только демонстрирует трехмерные топологические солитоны, которые математики и теоретические физики рассматривали до этого, но и открывает ряд солитонных структур, о существовании которых никто не догадывался».

В новой работе ученые разработали метод замораживания топологических солитонов в пленках из хиральных нематических жидких кристаллов посредством полимеризации с использованием ультрафиолетового освещения и нагрева/охлаждения. Оптический пинцет был использован для манипулирования узорами и создания различных структур. «Большое разнообразие локализованных долгоживущих топологических солитонов, помноженное на уникальные электрооптические свойства жидкокристаллической среды, неизбежно повлечет за собой применение в технике», — поясняет первый автор Пол Акермен.