Микроскопические магнитные частицы раскрыли секретное правило природы

Нас всегда поражают своей точностью согласованные движения в природе — полет стаи птиц, синхронно меняющей свое направление, или движение волн, которые расходятся по поверхности воды. Теперь нечто подобное ученые смогли увидеть и на микроскопическом уровне.

Исследователи из Университета Райса обнаружили, что крошечные магнитные частицы, которые управляются вращающимся магнитным полем, спонтанно образуют потоки вдоль краев своих скоплений, и этот феномен подчиняется законам топологической физики — области науки, которая неразрывно связана с квантовыми компьютерами и инновационными материалами.

В ходе экспериментов команда использовала суперапарамагнитные коллоиды — это частицы, примерно в сто раз меньше песчинки, — помещенные в соленую воду. При воздействии вращающегося магнитного поля частицы начинали собираться в кристаллические структуры, принимая разные формы: от плотных круглых кластеров до испещренных отверстиями плоских «листов». Самое необычное поведение частиц наблюдалось на краях этих форм — там они двигались быстрее, образуя как бы «конвейер» вдоль их границ. Это явление исследователи назвали «краевым потоком».

Особенно поразило ученых то, что подобные потоки возникали спонтанно, без внешнего вмешательства. Объяснение этому они нашли в топологической физике — подходе, в котором ключевую роль играет не столько точное положение элементов, сколько общая форма системы. Подобно тому как движение транспорта определяется дорожными знаками и схемой маршрутов, а не ямами и пробками, в топологических системах поведение частиц задается структурой в целом, а не мелкими колебаниями или помехами.