Магнитные "наноузлы" - реальное воплощение некоторых идей теории строения атомов лорда Кельвина - «Наука и технологии»

В конце 1800-ых годов, когда ученые все еще пытались выяснить, как именно устроены атомы, одной из ведущих теорий была теория, предложенная лордом Кельвином. Согласно этой теории, атомы представляют собой узлы из циркулирующих завихрений эфира. Несмотря на то, что эта теория оказалась совершенно неправильной, она дала начало так называемой теории узлов, которая и по сегодняшний день используется в некоторых областях науки и техники, таких, как газодинамика и структура ДНК, к примеру.

Однако, физик и математик Пол Сатклифф (Paul Sutcliffe) из Даремского университета, Великобритания, теоретически показал, что лорд Кельвин в свое время был кое в чем прав. Наноразмерные квазичастицы, называемые магнитными скирмионами, могут быть "завязаны" в узлы различных типов, что 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".