Магнитизм в нашей жизни
Магнетизм — постоянный спутник в нашей повседневной жизни. Хранение данных, датчики, электродвигатели — ни одно из этих устройств не работало бы без него. Однако большинство технологий используют только простейшую форму магнитного порядка: ферромагнетизм, при котором все магнитные моменты в домене выстраиваются в одном направлении.
Но магнитный порядок может быть гораздо сложнее. В обычных антиферромагнетиках (АФМ) магнитные моменты выстраиваются в противоположных направлениях, создавая нулевую суммарную намагниченность. Этот тип порядка имеет ряд преимуществ перед ферромагнетизмом во многих технологических приложениях следующего поколения.
В более экзотических материалах магнитные моменты могут закручиваться в спирали, вихри и другие спиновые структуры, которые однажды могут быть использованы для хранения информации.
Наблюдение за динамикой хиральности и намагниченности
Наблюдение за динамикой хиральности и намагниченности в АФМ было экспериментально сложной задачей, поскольку оба параметра могут эволюционировать на нанометровых масштабах длины и фемтосекундных временных масштабах.
В новом исследовании Цзунся Гуо из Французского национального центра научных исследований и его коллеги сделали важный шаг вперёд, исследуя эти величины с помощью ультракоротких и сверхъярких импульсов от лазера на свободных электронах (ЛСЭ).
Исследователи изучили спиновые спирали в АФМ и обнаружили, что под лазерным возбуждением хиральность и намагниченность развиваются вместе почти в унисон и на значительно более быстрых временных масштабах, чем это наблюдается для ферромагнетиков.
Чиральные спиновые структуры
Чиральные спиновые структуры могут возникать в результате взаимодействия различных магнитных взаимодействий, таких как взаимодействие Дзялошинского — Мория, которое включает в себя антисимметричный обмен между двумя спинами.
Структуры могут принимать форму расширенных циклоидов или спиралей и компактных вихрей (называемых скирмионами). Скирмионы особенно привлекательны из-за их топологической защиты, наноразмерного размера (обычно 10–100 нм) и подвижности под действием электрических токов.
Однако скирмионы в ферромагнетиках имеют недостатки. Их стабилизация требует внешних магнитных полей, а их топологический заряд (величина, описывающая, сколько раз вектор локальной намагниченности может быть обёрнут вокруг единичной сферы) ненулевой.
АФМ-скирмионы
АФМ-скирмионы предлагают решения этих ограничений. Эти объекты можно рассматривать как два переплетённых ферромагнитных скирмиона — по одному на каждой подрешётке АФМ — с противоположными ориентациями спинов.
Отсутствие паразитных полей в АФМ обеспечивает стабильность при комнатной температуре и потенциально даже меньшие размеры (менее 10 нм). А поскольку их топологические заряды компенсируют друг друга, эффект скирмиона Холла сильно подавлен, что позволяет прямолинейное движение.
Синтетические антиферромагнетики (САФ)
Исследователи обратились к синтетическим антиферромагнетикам (САФ) — наноструктурам, состоящим из ферромагнитных слоёв, антиферромагнитно связанных через немагнитные прослойки. Эти инженерные материалы позволяют точно контролировать магнитные взаимодействия, стабилизируя хиральные антиферромагнитные структуры, такие как спирали и скирмионы.
Гуо и его коллеги провели эксперименты на ЛСЭ FERMI в Италии — одном из самых ярких и стабильных сверхбыстрых источников света в мире. Для разрешения пространственных вариаций в магнитной структуре САФ команда провела эксперименты по резонансному магнитному рассеянию, настроив длину волны зондирующего света на магнитно-чувствительные резонансные поглощения в материале.
Команда зарегистрировала рассеяние рентгеновских лучей от САФ, обнаружив сильный зеркальный дифракционный сигнал от многослойной структуры. Кроме того, исследователи определили кольцеобразный характер рассеяния, возникший из-за случайно ориентированных спиновых спиралей.
Участие в опросе о больших загадках физики
Пройдите опрос о больших загадках физики [здесь](https://apsphysics.fillout.com/t/nXpw5x5CnPus).
Физика стремится понять природу на самом фундаментальном уровне. Это усилие часто заставляет учёных обращаться к фундаментальным вопросам. Когда началась Вселенная? Из чего состоят тёмная материя и тёмная энергия? Как наша повседневная реальность возникает из квантовой механики?
На конференции «Чёрные дыры внутри и снаружи», состоявшейся в прошлом году в Копенгагене, около 100 физиков обсудили, как чёрные дыры могут помочь им решить многие из этих больших загадок в космологии, гравитационной теории и квантовой физике.
Астрофизик Нияеш Афшорди и научный коммуникатор Фил Хэлпер увидели в конференции редкую возможность задать исследователям вопросы об их мнениях по наиболее горячо обсуждаемым открытым вопросам в физике.
Журнал Physics хотел бы внести свой вклад в эти усилия, предложив своим читателям принять участие в этом опросе из десяти вопросов. Независимо от того, являетесь ли вы исследователем в соответствующей или отдалённой области или энтузиастом науки, опрос даёт возможность столкнуться с некоторыми из самых сложных задач в физике.
Для получения дополнительной информации об этих идеях см. книгу Афшорди и Хэлпера «Битва Большого взрыва: новые сказки о нашем космическом происхождении», исследование дебатов о космологическом происхождении.
— Майкл Ширбер и Маттео Рини
Майкл Ширбер — редактор журнала Physics, базирующийся в Лионе, Франция, а Маттео Рини — редактор журнала Physics.