магнитные текстуры

Дверной замок с двумя разными ключами: один проворачивается легко, другой требует заметного усилия. Так ведут себя два слоя гексагонального нитрида бора, когда их поворачивают друг относительно друга. Этот материал состоит из атомов бора и азота, уложенных в шестиугольную сетку, и его слои могут лежать в разных положениях, как две одинаковые решётки, сдвинутые на разный угол.

Вихрь в магнитном материале — это как водоворот, но вместо воды закручиваются направления намагниченности. Электрон, пролетая сквозь такой вихрь, чувствует не просто магнитное поле, а искривление пространства: его путь изгибается, словно он катится по воронке с узким горлышком.

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.

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.

Камень падает в спокойную воду — и по глади расходятся ровные кольца. Если же камень не просто падает, а ещё и вращается, на поверхности появляются маленькие воронки — вихри. Свет умеет делать то же самое, только вместо воды — само пространство и время.

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.

Винтовая лестница задаёт ритм шагам: если по ней бежит поток людей, их движение неизбежно закручивается. Нечто похожее происходит в спиральных молекулах — например, в ДНК или некоторых белках. Когда через такую молекулу пропускают электрический ток, электроны не просто летят прямо. Они огибают изгибы молекулярной цепочки, и это круговое движение порождает крошечное магнитное поле — молекулярный орбитальный момент.

Ток пропускают через пружинку из органических молекул — и на выходе электроны крутятся почти все в одну сторону. Этот фокус называют хиральной спиновой селективностью, и он долго не давал физикам покоя. В лёгких атомах спин (собственное вращение частицы) слишком слабо связан с движением заряда, чтобы обеспечить почти стопроцентную сортировку.

Внутри нейтронной звезды материя сжата так сильно, что атомные ядра слипаются в длинные тяжи и плоские листы. Астрофизики называют эти структуры ядерными макаронами. На их поверхности плотность вещества падает почти до нуля — как если бы вы вынырнули из густого киселя в разреженный воздух. Именно этот резкий перепад и создаёт необычный эффект.

Согласно Стандартной модели, вакуум — не пустота, а океан виртуальных частиц-призраков — нейтрино и других частиц, почти не взаимодействующих с веществом. Сверхсильное электромагнитное поле, словно шторм, вырывает пары электронов и позитронов в реальность, преодолевая энергетический барьер их рождения.

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.

В кристалле HfTe5 электроны ведут себя почти как свет: их масса так мала, что они подчиняются законам относительности. Если поместить такой кристалл в сильное магнитное поле, электроны начинают кружиться по маленьким орбитам. Их энергия при этом меняется не плавно, а ступеньками — как этажи в доме. При слабом поле виден один узор этих ступенек, а при сильном — другой, с особым ритмом.

Кольцо из магнитных атомов напоминает хоровод, где каждый участник держит за руки соседей. В обычных магнитах каждый атом имеет свой собственный постоянный магнитный момент, и они взаимодействуют как маленькие стрелки, стремящиеся выстроиться противоположно друг другу.

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.

Кристалл размером с половину спичечного коробка вырастили в печи, где расплавленная зона медленно ползла вдоль стержня, оставляя за собой идеально упорядоченные слои. Внутри этого кристалла ионы меди сидят в узлах треугольной сетки — но треугольники слегка перекошены, как будто кто-то надавил на один угол. Каждый ион меди ведёт себя как крошечная магнитная стрелка, которая может указывать вверх или вниз.

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.

В тёмном облаке L43, где рождаются звёзды, пылинки кружатся, как крошечные компасы. Свет от молодой звезды толкает их, а магнитное поле выстраивает в определённом направлении. Когда пылинка повёрнута к нам боком, её тепло приходит к нам поляризованным — как свет, прошедший сквозь узкую щель.

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.

В кастрюле с кипящим супом мелкие пузырьки бурлят, но постепенно крупные потоки начинают доминировать. Похожее явление происходит в космической плазме, где магнитные поля ведут себя как запутанные нити. В турбулентности магнитная энергия обычно перетекает от крупных масштабов к мелким, но в магнитно-доминирующей среде всё наоборот: энергия идёт от мелких вихрей к крупным.

Две металлические пластины в абсолютном вакууме притягиваются. Ещё Ричард Фейнман уподоблял пустоту кипящей пене: пары виртуальных частиц рождаются и аннигилируют, порождая эффект Казимира — силу притяжения между близкими поверхностями из-за квантовых флуктуаций вакуума.

На столе лежит тонкая резиновая плёнка. Кто-то берёт её за середину и медленно тянет вверх. Плёнка не хочет просто подняться: она выгибается куполом, потом по краю купола бегут морщины, как складки на юбке. Поднимают выше — морщины собираются в крупные складки, которые пересекают всю плёнку. А если начать опускать, складки не исчезают, а складываются в новые формы.