скирмион

В идеальном кристалле титаната свинца атомы выстроены как солдаты на плацу: все электрические диполи смотрят в одну сторону. Чтобы развернуть этот строй на 180 градусов, по старым расчётам требовалась энергия, сравнимая с нагревом кристалла до температуры в миллионы градусов. Такой барьер делал переключение поляризации невозможным, и почти 70 лет физики объясняли наблюдаемое поведение дефектами и границами.

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 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.

Вихрь в магнитном диске обычно ведёт себя как большой юла: чтобы он не опрокинулся, нужна просторная площадка и сильное собственное поле, которое возвращает его в центр. Но что если площадку уменьшить до размера вируса? Тогда привычная опора исчезает, и вихрь должен рассыпаться.

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.

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.

Кристалл PbCuTe₂O₆ представляет собой трёхмерную паутину из атомов меди, теллура и кислорода. Внутри неё магнитные моменты — крошечные стрелки, связанные со спинами электронов, — запутаны так, что не могут выстроиться в привычный порядок даже вблизи абсолютного нуля.

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.

Представьте почтовую службу, где курьеры внезапно перестали двигаться. Казалось бы, письма перестанут доходить, и связь между городами прервётся. Но что, если сами конверты вдруг обретут способность менять свою форму и передавать сообщения через общую паутину, не сходя с места? Именно такой неожиданный механизм обнаружили физики в мире квантовых материалов.

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.

Спинтроника сулит передавать информацию не зарядом, а спином, избавляя микроэлектронику от главного врага — джоулева нагрева.

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.

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.

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 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 напоминает пирог с начинкой: слои атомов европия, галлия и алюминия чередуются в строгом порядке. Обычно такие материалы не должны удивлять магнетизмом — слишком симметричны. Но внутри этого кристалла обнаружили магнитные вихри, похожие на крошечные водовороты, которые выстраиваются в аккуратные решётки.

Плетёная корзина из ивовых прутьев держит форму за счёт переплетения. Похожий узор — треугольники, сцепленные в плоскую сетку — обнаружили в новом кристалле с формулой Cs₃V₉Te₁₃. Здесь атомы ванадия образуют два набора треугольников, которые пронизывают друг друга, как нити в ткани. Этот узор не просто красив: он заставляет электроны двигаться по особым «плоским» энергетическим дорожкам.

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.

В некоторых материалах магнитные моменты атомов — их крошечные «стрелки» — отказываются застывать даже при сверхнизких температурах. Вместо привычного порядка они образуют спиновую жидкость: состояние, где спины постоянно мерцают, но делают это согласованно, словно танцоры в сложном па.

Двумерный висмут на кремниевой подложке — перспективный материал для электроники будущего. Его края проводят ток без потерь, как скоростная магистраль без светофоров. Но сам висмут нежный: воздух и влага быстро портят его свойства. Химики нашли выход: они поместили висмут под слой графена — прочной углеродной плёнки толщиной в один атом.

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.

Тёмная материя — загадочная субстанция, которая в пять раз массивнее обычного вещества, но не испускает и не поглощает электромагнитное излучение. Её природа остаётся одной из главных нерешённых задач физики.

Представьте мозаичный пол, узор которого никогда не повторяется — как знаменитая мозаика Пенроуза. На этом полу магнитные стрелки — спины электронов — исполняют хаотичный танец, порождая квантовую спиновую жидкость.

Квантовые вычисления предъявляют жёсткие требования к носителям информации. В кристаллической решётке алмаза — а точнее, в углероде с искусственно созданными дефектами — биты кодируются ориентацией микроскопических магнитных моментов, или спинов, локализованных на этих дефектах.

В сердце сверхпроводника электроны сливаются в куперовские пары и движутся без сопротивления. Но если в этом идеальном порядке возникает вихрь — крошечная область, где сверхпроводимость исчезает, — там появляются особые возбуждения: боголюбовские квазичастицы.

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.