магнитные скирмионы

В зале с танцующими парами зазвучала другая музыка, и пары, что выстроились в линии, вдруг закружились вихрями. Так магнитный кристалл Fe3Ge перестраивает свой внутренний узор, когда температура поднимается выше 375 кельвинов, а это около ста градусов тепла. До этого рубежа магнитные стрелки в кристалле лежат плашмя, как пары, танцующие вальс по кругу.

В тонкой плёнке из кобальта и железа, нанесённой на кремниевую подложку, формируется крошечный магнитный вихрь — скирмионоподобная структура, называемая магнитной каплей. Он не разлетается, а удерживается на месте, подобно капле масла на горячей сковороде, где роль жара играет электрический ток, пропущенный через узкий перешеек шириной порядка сотни атомов.

Магнитный каркас кристалла EuMnSb2 напоминает строительные леса: марганцевые атомы образуют жёсткие вертикальные стойки, а европиевые — подвижные перекладины. До сих пор не было единого мнения, под каким углом наклонены эти перекладины в покое и как они поворачиваются, когда на леса давит магнитное поле. Обычные методы не давали точного ответа: атомы европия жадно поглощают нейтроны, и сигнал тонет в шуме.

Скирмион — это магнитный вихрь, напоминающий миниатюрный водоворот в море, где вместо воды закручена намагниченность материала. Эти структуры рассматриваются как перспективные ячейки памяти в компьютерах будущего, но для записи и чтения информации необходимо уметь перемещать каждый вихрь по отдельности.

Кусок металла размером меньше миллиметра при охлаждении до минус 256 градусов Цельсия ведёт себя как калейдоскоп: в одном его уголке магнитные стрелки выстраиваются в ровные ряды, а в соседнем — закручиваются винтом. Это удалось увидеть, направив на образец узкий рентгеновский луч и медленно ведя им по поверхности, как фонариком по тёмной стене. Обычно такие материалы изучают, освещая сразу весь кристалл.

Представьте шоссе, где встречные потоки разнесены не просто по разным сторонам, а по двум независимым дорогам — каждая со своим въездом и выездом. Нечто подобное происходит с электронами в новом типе топологического изолятора, который описали авторы работы.

Два прозрачных листа с нарисованными кругами. Если наложить их ровно, круги совпадут. Но стоит чуть повернуть один лист — и возникает новый узор: где-то круги сгущаются, где-то расходятся. Примерно так работает муар — неожиданный рисунок от поворота двух периодических структур. В этой работе учёные применили ту же идею к звуку, а точнее — к полю скоростей акустических частиц над перфорированной поверхностью.

Обычный фонарик даёт свет, волны которого колеблются во всех направлениях сразу. Но если пропустить свет через специальный фильтр, можно получить луч, колеблющийся строго в одной плоскости — это поляризованный свет. Когда такой луч проходит сквозь биологическую ткань, её внутренняя структура слегка меняет ориентацию колебаний.

Квантовые спиновые цепочки напоминают шеренгу людей, передающих друг другу секретное рукопожатие: каждый поворачивается к соседу, и от того, насколько крепко они сжали ладони, зависит, как пробежит волна по всей цепочке.

Некоторые материалы внутри устроены как лента Мёбиуса — их электронные состояния закручены особым образом. Такие топологические свойства обычно пытаются менять мощным магнитным полем, словно пытаясь разгладить ленту кувалдой. Группа исследователей нашла более тонкий инструмент.

Магнитные вихри размером в десятки нанометров — как крошечные смерчи, застывшие в металле. Их называют скирмионами, и они ведут себя на удивление устойчиво: их трудно разрушить, зато легко двигать. Именно поэтому инженеры видят в них идеальные «ячейки» для памяти будущего — быстрой, экономичной и не боящейся сбоев. Но до сих пор никто не знал, как именно устроен такой вихрь в толще материала.

Квантовая частица, пробегая по замкнутому кольцу, оставляет на своём пути две разные «записи». Первая — словно отпечаток пальца на дверной ручке: он остаётся неизменным, сколько бы раз вы ни поворачивали ручку, и говорит только о форме и материале.

Представьте две квантовые частицы, связанные невидимой нитью — квантовой корреляцией. Одна из них теряет энергию, вторая — ровно столько же набирает, так что общий запас остаётся неизменным. Если наблюдать лишь за первой частицей, её колебания не затухают: ритм остаётся таким же ровным, как у космического пульсара — вращающейся нейтронной звезды, излучающей строго периодические импульсы.

Расчёска, проведённая по волосам, притягивает клочки бумаги. Этот простой трюк физики решили применить на микроскопическом уровне — для управления магнитными вихрями, которые называют скирмионами. Скирмион похож на крошечный смерч в море намагниченности: в его центре стрелки компаса смотрят вверх, а по краям закручиваются вниз. Так получается стабильный узел, который не распутывается сам собой.

Магнитный вихрь, или скирмион, похож на крошечный водоворот в море спинов — собственных магнитных моментов атомов. Как воронка в реке, он закручивает намагниченность вокруг себя, и этот узор оказывается очень стойким: его трудно разрушить случайной встряской.

Водитель крутит руль, чтобы машина повернула. В квантовом мире тоже есть свои «рули» — внешние параметры, которые плавно меняют, чтобы перегнать частицы из одного места в другое. Так устроен насос Таулеса: медленно изменяя условия, можно перекачать строго определённое число частиц, и это число защищено от помех самой геометрией процесса.

Падающий на чёрную дыру газ закручивается в спираль, как вода в воронке. В этом потоке постоянно рождаются и лопаются магнитные петли — примерно как солнечные вспышки, но гораздо мощнее. Каждая такая петля — крошечный магнит, который живёт своей жизнью. Когда их много, они начинают влиять друг на друга: их северные и южные полюса то притягиваются, то отталкиваются.

Пламя свечи дрожит от сквозняка, но не гаснет — язычок лишь на миг меняет очертания и возвращается. Примерно так же ведут себя световые скирмионы — крошечные вихри в поле луча, напоминающие закрученные водовороты. До недавнего времени их получали только в идеальном, ровном свете лазера. Малейшая рябь — и вихрь рассыпался.

В кристалле Rb1-xV2Te2O спины атомов ванадия выстраиваются в шахматном порядке: каждый спин окружён противоположными. Такой узор называют G-типом антиферромагнетизма. Нейтроны, проходя сквозь образец, рассеиваются на этом узоре и выдают его геометрию — как свет фонарика, проходящий через жалюзи, рисует полосы на стене.

В электромагнитной ловушке исследователи сформировали ионный кристалл — упорядоченную структуру из 150 ионов, охлаждённых до сверхнизких температур. Каждый ион ведёт себя как элементарный магнит, спин которого — вектор, способный ориентироваться в пространстве произвольно.

Кристалл перовскитного иридата SrIrO₃ напоминает строй солдат, где каждый иридий несёт магнитный момент. Когда часть иридиевых «солдат» заменяют оловом, которое магнитным моментом не обладает, строй редеет.

В тонком слое жидкого кристалла — вещества, которое течёт как жидкость, но молекулы в нём выстроены в порядке, как в твёрдом теле, — рождаются вихри размером меньше толщины человеческого волоса. Эти вихри похожи на крошечные волчки: они могут двигаться, не разрушаясь, и ведут себя почти как настоящие частицы.

Кристалл Fe₃Sn₂ похож на узорчатую решётку, где атомы железа сидят в углах шестиугольников. При обычных условиях их магнитные стрелки выстроены ровно, как солдаты в шеренге. Но стоит сжать кристалл — и строй ломается. Под давлением около 20 гигапаскалей (это как если бы на ноготь поставили двадцать слонов) решётка слегка перестраивается.

Два слоя магнитного материала, повёрнутые друг относительно друга на доли градуса, — как две слегка сдвинутые решётки на окне. В обычном состоянии они не создают ничего особенного, но при определённом угле поворота в материале возникает неожиданный эффект.

Электрон — не просто шарик, он ещё и крутится вокруг собственной оси, как волчок. В обычных условиях эти волчки направлены в разные стороны и быстро сбиваются. Но в некоторых материалах, где спин связан с движением электрона, возникает удивительный порядок: все волчки смотрят в одну сторону, и их направление не зависит от скорости.

Альтермагнетики можно представить как бальный зал, где пары кружатся в разные стороны: сам зал неподвижен, но внутри кипит упорядоченное движение. Так и электронные спины — собственный момент вращения электронов — в этих материалах образуют сложные узоры, не создавая суммарной намагниченности.

Хлопающая крышка от банки с вареньем — вот герой этой истории. Нажмёшь на неё, и она с громким щелчком перескакивает из выпуклого положения в вогнутое. Точно так же ведёт себя балка с шарниром внутри каждой ячейки новой механической решётки. Учёные собрали из таких хлопающих балок шестиугольную сетку — как соты, только из упругих пластинок. Когда одну балку резко сжимают, она перещёлкивается и толкает соседнюю.

Луч света падает на металлическую пластину с квадратной структурой, и на её поверхности появляется узор из крошечных магнитных вихрей — как рябь на воде, но застывшая и упорядоченная. Эти вихри называются скирмионами, и они ведут себя как волчки, которые могут крутиться в разные стороны.

Два крошечных магнитных вихря, называемых скирмионами, плывут по тонкой плёнке. Когда они сближаются, между ними возникает не простое притяжение или отталкивание, а чередование того и другого — как если бы два поплавка на воде то сходились, то расходились, подчиняясь невидимой волне.

Внутри куска магнитного материала спины электронов — крошечные магнитные стрелки — обычно выстраиваются в простые узоры. Иногда они закручиваются в вихри, как вода в воронке, и эти вихри могут завязываться в узелки. Раньше такие узелки, названные хопфионами, удавалось получить только в образцах особой формы, вырезанных с ювелирной точностью. Теперь исследователи нашли способ проще.

Магнитный компас в пробирке — звучит как фокус, но это чистая физика. В растворе фумарата (соли яблочной кислоты) ядра углерода-13 ведут себя как крошечные волчки. Когда внешнее магнитное поле падает до 400 нанотесла — это в сто тысяч раз слабее поля Земли, — два уровня энергии этих волчков почти сливаются. Физики называют такую точку «избегаемое пересечение».

Капля чернил падает в стакан воды — и вместо ровного пятна рождается кольцо, которое тут же начинает вращаться. Примерно так выглядит рождение скирмиона: свет, испущенный крошечным источником, закручивается в устойчивый вихрь. До сих пор такие вихри получали только от больших лазеров. Теперь их научились создавать от одиночных атомов прямо на чипе.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где струнные и духовые играют на разных языках. Сверхпроводящие процессоры оперируют микроволновыми фотонами в сантиметровых контурах, а спиновые кубиты — например, азотно-вакансионные центры — хранят информацию в масштабах отдельных атомов.