Учёные впервые экспериментально создали предсказанные ранее трёхмерные магнитные структуры хопфионы
Впервые в истории международная группа исследователей экспериментально наблюдала магнитные хопфионы. Речь идёт о принципиально новой трёхмерной магнитной структуре, в которой спины электронов образуют замкнутые, связанные петли и направлены во все возможные стороны в пределах ограниченного объёма. Хотя существование хопфионов было предсказано теорией, до сих пор главным препятствием оставалось фактическое доказательство наличия этих структур.
Коллаборация учёных из Швеции, Германии, Люксембурга и Китая продемонстрировала существование магнитных хопфионов с помощью фемтосекундных лазерных вспышек. Филипп Рыбаков, исследователь кафедры физики и астрономии Уппсальского университета, пояснил, что хопфионы завораживают своей структурой: это трёхмерные объекты, состоящие из спинов, которые образуют замкнутые и связанные петли. Как только они появляются, они сохраняют свою форму и практически не подвержены влиянию окружающей среды.
Долгое время магнетизм рассматривали как простое однонаправленное явление — например, магнит на холодильнике указывает в одну сторону, стрелка компаса — в другую, а информация на жёстких дисках сохраняется в виде простых плоских линий. Однако на наномасштабном уровне магнетизм ведёт себя гораздо сложнее. Он возникает из «спина» — квантового свойства, подобного микроскопическому внутреннему компасу внутри каждого электрона. Когда бесчисленное множество таких спинов взаимодействует внутри твёрдого материала, естественным образом возникают стабильные и запутанные узоры.
Хопфион представляет собой стабильную трёхмерную магнитную структуру, в которой спины электронов указывают во всех мыслимых направлениях в ограниченном пространстве. Обычно материал сталкивается с огромными энергетическими барьерами, которые не позволяют ему естественным образом достичь этого состояния. Чтобы разрушить эти барьеры, исследователи использовали экстремальные скорости и применили фемтосекундные лазеры. Фемтосекунда — это невообразимо малая доля времени, а именно одна миллионная одной миллиардной доли секунды.
Для фиксации хопфионов использовались асимметричные «хиральные» кристаллы. Интересно, что эти кристаллы представляют собой тончайшие плёнки германида железа толщиной 110–200 нанометров, чья зеркально-симметричная структура естественным образом заставляет магнитные спины выстраиваться в уникальные конфигурации. Поскольку обычные энергетические барьеры обычно блокируют формирование хопфионов, команда применила сверхбыстрые фемтосекундные лазерные импульсы, чтобы вывести спиновую систему из равновесия. Лазеры буквально вытолкнули спиновую систему материала из состояния равновесия, в котором она пребывала. Эта «встряска» сработала идеально: внезапный толчок заставил спины перестроиться, и когда всё успокоилось, спины стабилизировались в тесно связанные замкнутые петли. Так родился хопфион.
Доказательство формирования хопфиона потребовало сложного подтверждения. Исследователи использовали просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения, чтобы наблюдать за материалом в реальном времени после каждого лазерного удара. Одновременно с этим применялась специализированная программа моделирования под названием Excalibur для создания «цифровых двойников» эксперимента. Она моделировала эволюцию миллионов взаимодействующих спинов, чтобы воссоздать точно такие же магнитные структуры. Филипп Рыбаков подчеркнул, что теория помогла указать правильное направление, эксперименты сделали структуры видимыми, а моделирование и топология помогли интерпретировать увиденное.
Это открытие имеет огромное значение для спинтроники — области науки, которая стремится заменить тепловыделяющие электрические токи в вычислительной технике на спины электронов. Новооткрытые хопфионы могли бы служить трёхмерными пакетами данных. В случае успеха это может проложить путь к созданию устройств хранения следующего поколения, которые будут значительно плотнее, быстрее и гораздо энергоэффективнее современных кремниевых микрочипов.
Чтобы доказать, что результат не был случайностью, параллельное исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, использовало ту же самую лазерную методику на другом хиральном материале. На этот раз учёные успешно создали «бимероны» — двумерного родственника хопфиона. Оба исследования доказывают, что лазеры могут функционировать как универсальный инструмент для контроля магнетизма в различных измерениях.
Исследование в журнале Nature Physics.