Магнитизм в нашей жизни
Магнитизм — постоянный спутник в нашей повседневной жизни. Хранение данных, датчики, электродвигатели — без него эти устройства не работали бы. 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 чистую 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 значительный шаг вперёд, исследуя обе величины с помощью ультракоротких и сверхъярких импульсов от лазера на свободных электронах (ЛСЭ).
Исследователи специально изучают спиновые спирали в АФМ и обнаруживают, что под лазерным возбуждением хиральность и намагниченность развиваются вместе почти в унисон и на значительно более быстрых временных масштабах, чем это наблюдается для ферромагнетиков.
Структуры хиральных спинов
Структуры хиральных спинов могут возникать в результате взаимодействия различных магнитных взаимодействий, таких как взаимодействие Дзялошинского-Мория, которое включает в себя антисимметричный обмен между двумя спинами.
Эти структуры могут принимать форму расширенных циклоидов или спиралей (называемых спиралями) 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.
Антиферромагнитные 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 без полей при комнатной температуре и потенциально даже меньшие размеры (ниже 10 нм). А поскольку их топологические заряды компенсируют друг друга, эффект скирмиона Холла сильно подавлен, что позволяет прямолинейное движение.
Синтетические антиферромагнетики
Вместо того чтобы искать материалы, которые естественным образом обладают такими свойствами, 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.
Исследование ультрабыстрой эволюции намагниченности и хиральности
Гуо и его коллеги провели эксперименты в ЛСЭ ФЕРМИ в Италии — одном из самых ярких и стабильных сверхбыстрых источников света в мире.
Чтобы разрешить пространственные вариации в магнитной структуре САФ, команда выполнила эксперименты по резонансному магнитному рассеянию, которые включают настройку длины волны зондирующего света на магнитно-чувствительные резонансные поглощения в материале.
Исследователи определили кольцевой узор рассеяния, который возник из случайно ориентированных спиновых спиралей. Радиус этого кольца соответствует периоду спирали около 190 нм, как и ожидалось.
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 базовом 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 Ниайеш Афшорди и научный коммуникатор Фил Хэлпер увидели в конференции редкую возможность спросить исследователей об их мнениях по наиболее горячо обсуждаемым открытым вопросам в физике.
Журнал Physics Magazine 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 — ответственный редактор журнала Physics Magazine, базирующегося в Лионе, Франция, а Маттео Рини — редактор журнала Physics Magazine.