Ученые впервые обнаружили хопфионы в природном материале.

Международная группа ученых из Швеции, Германии и Китая впервые зафиксировала в природном образце квазичастицы, известные как трехмерные магнитные хопфионы, существование которых было предсказано много лет назад. Данное открытие может значительно ускорить развитие спинтроники и предоставить устройствам, основанным на ней, функциональные возможности, недоступные современной электронике.

В науке существует направление, которое изучает особый вид электроники, в которой для передачи, получения и обработки информации используется не сам электрон, а его спин — свойство, связанное с направлением момента импульса. В этой области, вместо заряда электрона, ключевым фактором является ориентация его спина. Это направление исследований называется спинтроникой. В числе приоритетных направлений ее деятельности – разработка спинтронных материалов, которые позволят создавать компактные устройства с высокой производительностью и минимальным потреблением энергии. Это обусловлено тем, что развитие традиционной электроники достигло физических пределов, и ее дальнейшее ускорение значительно затруднено.

Читайте также:  Ученые исследуют гравитационное воздействие на антивещество с помощью позитрония.

В последние годы магнитные явления стали важным направлением исследований в области спинтроники скирмион. Скирмион — это квазичастица, представляющая собой топологически защищенный магнитный вихрь. Открытие сквермиона произошло более десяти лет назад в тонких пленках магнитных материалов, и оказалось, что он обладает крайне плоской, двумерной структурой».

В дальнейшем серии экспериментов подтвердили, что двумерные скирмионы способны создавать трехмерный магнитный вихрь, а также другие квазичастицы, известные как хопфионы. Эти хопфионы структурно схожи со скрученными струнами, имеющими форму тора.

Что делает хопфионы такими привлекательными? Физики считают, что, в отличие от скирмионов, существующих в двух измерениях, хопфионы, обладающие трехмерной структурой, не испытывают дрейфа при перемещении внутри наноустройств. Это делает их более стабильными квазичастицами, что делает их более подходящими для передачи информации.

Читайте также:  Квантовые явления бросают вызов второму закону термодинамики

Ученым долго не представлялось возможности экспериментально доказать наличие магнитных хопфионов в естественной среде. Эти квазичастицы были зафиксированы исключительно в материалах, созданных искусственным путем).

Физикам международной команды удалось получить подтверждение этому. Впервые ученые наблюдали их в наномасштабе, используя кристаллы тонких пластин FeGe (материалы на основе железа и германия, подобные B20, демонстрируют стабильное состояние. Выявление и регистрация квазичастиц стали возможными благодаря просвечивающей электронной микроскопии и голографии. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

«В отличие от скирмионов, хопфионы имеют дополнительную степень свободы, обусловленную их трехмерной структурой. Это позволяет им перемещаться в трех измерениях, а не в двух. Безусловно, многие важные характеристики этой квазичастицы предстоит выяснить, и пока сложно прогнозировать возможности использования хопфионов в спинтронике», — объяснил Одним из авторов исследования является Филипп Рыбаков, сотрудник Уппсальского университета (Швеция.

Читайте также:  Новое открытие: плоские молекулы обладают объемом и хиральностью

Полученные учеными данные расширяют перспективы для исследований в области экспериментальной физики. В частности, теперь упростится идентификация кристаллов, содержащих хопфионы в устойчивом состоянии, и станет возможным изучение взаимодействия этих квазичастиц с электрическим током и током спинов электронов.