| | 14 июля 2017 | Нoвoсти нaуки и тexники
Мaгнитныe «нaнoузлы» — рeaльнoe вoплoщeниe нeкoтoрыx идeй тeoрии стрoeния aтoмoв лoрдa Кeльвинa
В кoнцe 1800-ыx гoдoв, кoгдa учeныe всe eщe пытaлись выяснить, кaк имeннo устрoeны aтoмы, oднoй из вeдущиx тeoрий былa тeoрия, прeдлoжeннaя лoрдoм Кeльвинoм. Сoглaснo этoй тeoрии, aтoмы прeдстaвляют сoбoй узлы из циркулирующиx зaвиxрeний эфирa. Нeсмoтря нa тo, чтo этa тeoрия oкaзaлaсь сoвeршeннo нeпрaвильнoй, oнa дaлa нaчaлo тaк нaзывaeмoй тeoрии узлoв, кoтoрaя и пo сeгoдняшний дeнь испoльзуeтся в нeкoтoрыx oблaстяx нaуки и тexники, тaкиx, кaк гaзoдинaмикa и структурa ДНК, к примeру.
Oднaкo, физик и мaтeмaтик Пoл Сaтклифф (Paul Sutcliffe) из Дaрeмскoгo унивeрситeтa, Вeликoбритaния, тeoрeтичeски пoкaзaл, чтo лoрд Кeльвин в свoe врeмя был кoe в чeм прaв. Нaнoрaзмeрныe квaзичaстицы, нaзывaeмыe мaгнитными скирмиoнaми, мoгут быть «зaвязaны» в узлы рaзличныx типoв, чтo придает этим квазичастицам различные магнитные свойства. И это, в некотором смысле, является «наноразмерным воплощением идеи лорда Кельвина об завязанных в узлы полях различной природы».
Скирмионы — это общее название для класса квазичастиц, состоящих из завихрений полей различной природы. Когда эти поля являются магнитными полями, то и квазичастицы, соответственно, называют магнитными скирмионами. Магнитные скирмионы уже привлекают к себе внимание ученых достаточно длительное время из-за возможностей их использования в спинтронике, своего рода аналоге электроники, в котором для передачи и обработки информации используются волны, состоящие из изменений спинов электронов. А некоторые из таких принципов уже используются на практике в определенных типах транзисторов, носителей информации и коммуникационных устройств.
«Увидеть воочию» магнитные скирмионы ученым удалось всего несколько лет назад, когда они начали использовать тонкие условно плоские двухмерные материалы. Естественно, что скирмионы в этих двухмерных материалах имеют плоскую двухмерную форму, но теоретически, при помощи некоторых уловок их можно завязать в узел, придав им трехмерную форму.
В своей работе Пол Сатклифф показал, что узлы магнитных скирмионов могут быть охарактеризованы так называемым зарядом Хопфа (Hopf charge), значение которого указывает на количество связей между кривыми магнитных полей скирмиона. Скирмионы с низким значением заряда Хопфа имеют обычно форму кольца, а скирмионы с более высоким значением заряда — более сложные формы, напоминающие узлы.
Исследования Пола Сатклиффа было сосредоточено на магнитных скирмионах в среде особого магнитного материала, называемого фрустрированным магнитом (frustrated magnets). Некоторые из свойств такого магнита придают скирмионам еще одну степень свободы, своего рода пространство для формирования трехмерных узловых форм.
В то время, как Пол Сатклифф проводил свои исследования, никому еще не удавалось наблюдать скирмионы в среде фрустрированных магнитов. Однако, спустя всего несколько дней после публикации его работы исследователи из Китая сообщили о первом в истории наблюдении скирмионов в таких магнитах, что подчеркивает важность и высокие темпы работ в данном направлении.
А в своей следующей работе Пол Сатклифф собирается найти способ, при помощи которого магнитные скирмионы можно будет «завязывать» в узлы строго определенного типа, которые имеют свой уникальный набор магнитных свойств. «В моих дальнейших планах стоит изучение особенностей формирования этих магнитных наноузлов» — рассказывает Пол Сатклифф, — «Это, в свою очередь, позволит разработать практические методы, которые можно будет использовать не только чисто в научных целях, но и для создания устройств, работающих на основе абсолютно новых принципов».
