Skyrmions, steeds veelbelovende magnetische deeltjes voor toekomstige computers

Tijdens de tweede helft van de negentiende eeuw^H In de twintigste eeuw kreeg de beroemde Britse natuurkundige Kelvin een briljant idee toen hij het werk van zijn Duitse collega Hermann Helmholtz las. Dit laatste toonde aan dat roterende vloeistofringen volledig stabiel waren en op elkaar zouden inwerken met krachten die doen denken aan die in magnetische velden tussen draden die elektrische stromen geleiden. Kelvin concludeerde dat atomen eigenlijk vloeistofdraden waren die rond een centrale as roteerden en verschillende knooppunten vormden, één voor elk chemisch element. De vloeistof die deze draden draagt, is geïnterpreteerd als de ether, het materiële medium waarvan de drukken en golven de oorsprong van het elektromagnetische veld zouden moeten zijn.

Hoewel het elegant en aantrekkelijk is, is dit… Unitaire theorie Het was een akelige mislukking, zoals de ontwikkelingen in de kwantumtheorie van atomen hebben bewezen. Natuurkundigen hielden echter vast aan het idee dat discrete stabiele structuren, die als deeltjes kunnen worden geïnterpreteerd, zouden kunnen voortkomen uit niet-lineaire vergelijkingen, zoals de Navier-Stokes-vergelijkingen, die continue velden beschrijven.

Daarom weten we van het bestaan ​​van solitonen, dit zijn typen stabiele energiepakketten in media die worden beschreven door niet-lineaire partiële differentiaalvergelijkingen. Een van de beroemdste voorbeelden is te vinden in de hydrodynamica. Dit is een vloedgolf, een enkele golf die voor het eerst werd waargenomen door de Schot John Scott Russell in de 19e eeuw.^H De hoorn die enkele kilometers volgt, is een golf die stroomopwaarts gaat en niet lijkt te willen verzwakken.

Een model van nucleonen

Vanwege hun stabiele aard worden elementaire deeltjes vaak voorgesteld als solitonen. En ook, bijna vijftig jaar geleden, voordat we de theorie van de kwantumdynamica ontdekten, de grote Britse theoreticus Tony Skyrmi Hij probeerde de aard van nucleonen en de sterke kernkracht beter te begrijpen. Dus probeerde hij hetzelfde spel te spelen dat Kelvin speelde om het bestaan ​​van nucleonen en hun eigenschappen te verklaren. We weten al dat protonen en neutronen fermionen zijn met een spin van een half geheel getal en dat ze soorten fotonen uitwisselen, het beroemde Yukawa-boson met een spin van een geheel getal, het pion.

Tegelijkertijd probeerde Heisenberg ook de nucleaire krachten beter te begrijpen, maar hij ging verder. Hij overwoog een niet-lineaire fundamentele veldvergelijking gebaseerd op een fermionveld dat alle destijds bekende materie en krachtdeeltjes moest bevatten. In deze uniforme theorie werden fotonen en gravitonen bijvoorbeeld gezien als ensembles van fermionen. Deze, die een intrinsiek impulsmoment, spin, met waarden 1 en 2 hebben, kunnen feitelijk toestanden zijn die geassocieerd zijn met een even aantal spin ½ fermionen.

Skyrme hanteerde een meer bescheiden benadering (die zich alleen bezighield met baryonen en kernwapens), maar het komt sterk overeen. Hij overwoog ook een niet-lineaire vergelijking, maar waarvan het fundamentele veld een nul-spin-boson is, het Yukawa-pion.

Op het eerste gezicht lijkt het idee belachelijk. Hoe krijg je spindeeltjes uit samengestelde toestanden van nul-spindeeltjes?

Dit is waar de niet-lineaire aard van de vergelijking een rol speelt. Omdat in een vloeistof, ook beschreven door een niet-lineaire vergelijking (Navier-Stokes-vergelijking), stabiele wervels kunnen worden gevormd met impulsmoment, kunnen we protonen en neutronen beschouwen als soorten wervels in een pionvloeistof. Deze configuraties, die doen denken aan die in solitonen, worden tegenwoordig skyrmionen genoemd.

De ontdekking van quarks en de theorie van de kwantumchromodynamica (QCD) overschaduwde het Skirmey-model van baryonen (dat, ironisch genoeg, later naar voren zou komen als een benadering van de QCD-vergelijkingen). Maar na een paar decennia beseften we het belang ervan op het gebied van de fysica van de gecondenseerde materie.