- Это статья о модели в физике элементарных частиц. Для вихревой магнитной структуры см. Магнитный скирмион.
В теории частиц, то скирмион ( / с к ɜːr м я . Ɒ п / ) является топологический устойчивой конфигурацией поля некоторого класса нелинейной сигмы - моделей . Первоначально он был предложен в качестве модели нуклона Тони Скирмом (и назван в его честь) в 1961 году. [1] [2] [3] [4] В качестве топологического солитона в пионном поле, он обладает замечательным свойством моделировать с разумной точностью многочисленные низкоэнергетические свойства нуклона, просто фиксируя радиус нуклона. С тех пор он нашел применение в физике твердого тела , а также в некоторых областях теории струн .
Скирмионы как топологические объекты важны в физике твердого тела , особенно в развивающейся технологии спинтроники . Двумерный магнитный скирмион как топологический объект формируется, например, из трехмерного «ежа» эффективного спина (в области микромагнетизма : из так называемой сингулярности « точка Блоха » гомотопической степени +1) с помощью стереографической проекции , при которой положительный спин северного полюса отображается на дальний край окружности 2D-диска, в то время как отрицательный спин южного полюса отображается на центр диска. В поле спинорном , такие как, например , фотонно или поляритону жидкостей скирмиона топологии соответствует полному Пуанкаре пучка [5] (что есть, квантовый вихрь из спин , содержащий все состояния поляризации ). [6]
Скирмионы были зарегистрированы, но не убедительно доказано, чтобы быть в конденсатов Бозе-Эйнштейна , [7] тонких магнитных пленках [8] и в хиральных нематических жидких кристаллов . [9]
Как модель нуклона , топологическая стабильность скирмиона может быть интерпретирована как утверждение, что барионное число сохраняется; т.е. протон не распадается. Лагранжиан Скирма - это, по сути, однопараметрическая модель нуклона. Исправление параметра фиксирует радиус протона, а также фиксирует все другие низкоэнергетические свойства, которые кажутся правильными примерно с 30%. Именно эта предсказательная сила модели делает ее столь привлекательной в качестве модели нуклона.
Выдолбленные скирмионы составляют основу модели кирального мешка ( модель Чеширского Кота) нуклона. Точные результаты о двойственности между спектром фермионов и топологическим числом витков нелинейной сигма-модели были получены Дэном Фридом . Это можно интерпретировать как основу двойственности между описанием нуклона квантовой хромодинамикой (КХД) (но состоящим только из кварков и без глюонов) и моделью Скирма для нуклона.
Скирмион можно квантовать, чтобы сформировать квантовую суперпозицию барионов и резонансных состояний. [10] Это можно было предсказать, исходя из некоторых свойств ядерной материи. [11]
Топологический солитон
В теории поля скирмионы являются гомотопически нетривиальными классическими решениями нелинейной сигма-модели с нетривиальной топологией целевого многообразия - следовательно, они являются топологическими солитонами . Пример происходит в хиральных модели [12] из - мезонов , где целевое многообразие является однородным пространством из структурной группы
где SU ( N ) L и SU ( N ) R - левая и правая киральные симметрии, а SU ( N ) diag - диагональная подгруппа . В ядерной физике при N = 2 под киральными симметриями понимается изоспиновая симметрия нуклона . При N = 3 симметрия изолюба между верхним, нижним и странным кварками более нарушена, а модели скирмионов менее успешны или точны.
Если пространство-время имеет топологию S 3 × R , то классические конфигурации можно классифицировать с помощью целого числа витков [13], поскольку третья гомотопическая группа
эквивалентно кольцу целых чисел со знаком сравнения, относящимся к гомеоморфизму .
К киральному лагранжиану можно добавить топологический член, интеграл которого зависит только от гомотопического класса ; это приводит к появлению секторов суперселекции в квантованной модели. В формуле (1 + 1) n - мерного пространства - времени, скирмион может быть аппроксимирована солитона из уравнения синус-Гордона ; после квантования анзацем Бете или иным образом он превращается в фермион, взаимодействующий согласно массивной модели Тирринга .
Лагранжиан
Лагранжиан для скирмиона, как написано для оригинального хиральной SU (2) эффективный лагранжиан взаимодействия нуклон-нуклон (в (3 + 1) -мерном пространстве - времени), можно записать в виде
где , , являются изоспиновыми Pauli матриц , ,является Ли кронштейн коллектора, а тр матрицы след. Мезонное поле ( пионное поле, с точностью до размерного фактора) в пространственно-временной координате дан кем-то . Широкий обзор геометрической интерпретациипредставлена в статье о сигма-моделях .
Когда написано таким образом, очевидно, является элементом группы Ли SU (2), иэлемент алгебры Ли su (2). Пионное поле можно понимать абстрактно быть разделом из касательного расслоения в главном расслоении из SU (2) над пространством - временем. Эта абстрактная интерпретация характерна для всех нелинейных сигма-моделей.
Первый срок, это просто необычный способ записи квадратичного члена нелинейной сигма-модели; это сводится к. При использовании в качестве модели нуклона пишут
с размерным фактором будучи константа распада пиона . (В измерениях 1 + 1 эта константа немерна и, таким образом, может быть включена в определение поля.)
Второй член устанавливает характерный размер солитонного решения с наименьшей энергией; он определяет эффективный радиус солитона. Как модель нуклона, он обычно настраивается так, чтобы дать правильный радиус протона; как только это будет сделано, другие низкоэнергетические свойства нуклона автоматически фиксируются с точностью около 30%. Именно этот результат связывания воедино того, что в противном случае было бы независимыми параметрами, и выполнения этого достаточно точно, делает модель нуклона Скирма такой привлекательной и интересной. Так, например, постояннаяв четвертом члене интерпретируется как вектор-пионное взаимодействие ρ – π – π между ро-мезоном (ядерный векторный мезон ) и пионом; скирмион связывает значение этой постоянной с радиусом бариона.
Ток Нётер
Плотность локальной намотки определяется выражением
где является полностью антисимметричным символом Леви-Чивиты ( в данном контексте - звездой Ходжа ).
Как физическую величину это можно интерпретировать как барионный ток; сохраняется:, и сохранение следует как ток Нётер для киральной симметрии.
Соответствующий заряд - барионное число:
Как сохраненный заряд, он не зависит от времени: , физическая интерпретация которого состоит в том, что протоны не распадаются .
В модели хирального мешка в центре вырезается отверстие и заполняется кварками. Несмотря на эту очевидную «хакерскую уловку», полное барионное число сохраняется: недостающий заряд из дырки в точности компенсируется спектральной асимметрией вакуумных фермионов внутри мешка. [14] [15] [16]
Магнитные материалы / хранение данных
Одной из конкретных форм скирмионов являются магнитные скирмионы , обнаруженные в магнитных материалах, которые проявляют спиральный магнетизм из -за взаимодействия Дзялошинского-Мориа , механизма двойного обмена [17] или конкурирующих обменных взаимодействий Гейзенберга . [18] Они образуют «домены» размером всего 1 нм (например, в Fe на Ir (111)). [19] Небольшой размер и низкое энергопотребление магнитных скирмионов делают их хорошим кандидатом для будущих решений для хранения данных и других устройств спинтроники. [20] [21] [22] Исследователи могли читать и писать скирмионы с помощью сканирующей туннельной микроскопии. [23] [24] Топологический заряд, представляющий существование и отсутствие скирмионов, может представлять битовые состояния «1» и «0». Сообщалось о скирмионах при комнатной температуре. [25] [26]
Скирмионы работают при плотности тока, которая на несколько порядков слабее, чем обычные магнитные устройства. В 2015 году было объявлено о практическом способе создания и доступа к магнитным скирмионам в условиях комнатной температуры. В устройстве использовались массивы намагниченных дисков кобальта в качестве искусственных решеток скирмионов Блоха поверх тонкой пленки кобальта и палладия . Асимметричные магнитные наноточки были сформированы с контролируемой округлостью на подслое с перпендикулярной магнитной анизотропией (PMA). Полярность контролируется настроенной последовательностью магнитного поля и демонстрируется при измерениях магнитометрии. Вихревая структура отпечатывается в межфазной области подслоя путем подавления PMA с помощью критического этапа ионного облучения . Решетки идентифицированы с помощью рефлектометрии поляризованных нейтронов и подтверждены измерениями магнитосопротивления . [27] [28]
Недавнее исследование (2019 г.) [29] продемонстрировало способ перемещения скирмионов исключительно с помощью электрического поля (в отсутствие электрического тока). Авторы использовали мультислои Co / Ni с наклоном толщины и взаимодействие Дзялошинского – Мория и продемонстрировали скирмионы. Они показали, что смещение и скорость напрямую зависят от приложенного напряжения. [30]
В 2020 году группе исследователей из Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий (Empa) впервые удалось создать настраиваемую многослойную систему, в которой два разных типа скирмионов - будущие биты для «0» и «1». «- может существовать при комнатной температуре. [ необходима цитата ]
Смотрите также
- Хопфион , трехмерный аналог скирмионов
Рекомендации
- ^ Скирм, THR; Шенланд, Бэзил Фердинанд Джеймисон (1961-02-07). «Нелинейная теория поля» . Труды Лондонского королевского общества. Серия А. Математические и физические науки . 260 (1300): 127–138. DOI : 10,1098 / rspa.1961.0018 .
- ^ Скирм, Т. (1962). «Единая теория поля мезонов и барионов». Ядерная физика . 31 : 556–569. Bibcode : 1962NucPh..31..556S . DOI : 10.1016 / 0029-5582 (62) 90775-7 .
- ^ Тони Скирм и Джеральд Э. Браун (1994). Избранные статьи Тони Хилтона Ройла Скирма с комментариями . World Scientific. п. 456. ISBN. 978-981-2795-9-22. Проверено 4 июля 2017 года .
- ↑ Brown, GE (ed.) (1994) Избранные статьи Тони Хилтона Ройла Скирма с комментариями . Мировые научные серии по физике ХХ века: Том 3. ISBN 978-981-4502-43-6 .
- ^ Бекли, AM; Браун, Т.Г. Алонсо, Массачусетс (2010). «Полные пучки Пуанкаре» . Опт. Экспресс . 18 (10): 10777–10785. DOI : 10,1364 / OE.18.010777 . PMID 20588931 .
- ^ Donati, S .; Dominici, L .; Dagvadorj, G .; и другие. (2016). «Закрутка обобщенных скирмионов и спиновых вихрей в поляритонной сверхтекучей жидкости» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 113 (52): 14926–14931. arXiv : 1701.00157 . Bibcode : 2016PNAS..11314926D . DOI : 10.1073 / pnas.1610123114 . PMC 5206528 . PMID 27965393 .
- ^ Аль-Хаваджа, Усама; Стоуф, Хенк (2001). «Скирмионы в ферромагнитном конденсате Бозе – Эйнштейна». Природа . 411 (6840): 918–920. arXiv : cond-mat / 0011471 . Bibcode : 2001Natur.411..918A . DOI : 10.1038 / 35082010 . ЛВП : 1874/13699 . PMID 11418849 .
- ^ Киселев Н.С. Богданов, АН; Schäfer, R .; Рёсслер, Великобритания (2011). «Хиральные скирмионы в тонких магнитных пленках: новые объекты для технологий магнитного хранения?». Журнал физики D: Прикладная физика . 44 (39): 392001. arXiv : 1102.2726 . Bibcode : 2011JPhD ... 44M2001K . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 44/39/392001 .
- ^ Fukuda, J.-I .; Шумер, С. (2011). «Квазидвумерные решетки скирмионов в киральном нематическом жидком кристалле» . Nature Communications . 2 : 246. Bibcode : 2011NatCo ... 2..246F . DOI : 10.1038 / ncomms1250 . PMID 21427717 .
- ^ Вонг, Стивен (2002). «Что такое Скирмион?». arXiv : hep-ph / 0202250 .
- ^ Хошбин-э-Хошназар, MR (2002). «Коррелированные квазискирмионы как альфа-частицы». Евро. Phys. Дж . А. 14 (2): 207–209. Bibcode : 2002EPJA ... 14..207K . DOI : 10.1140 / epja / i2001-10198-7 .
- ^ Хиральные модели подчеркивают разницу между «левизной» и «правшей».
- ^ То же самое относитсяк классификации указанной эффективной спина «ежа» особенность ":. Спином вверх на NorthPole, но вниз на Southpole
Смотрите также Деринг, В. (1968). «Точечные особенности в микромагнетизме». Журнал прикладной физики . 39 (2): 1006–1007. Bibcode : 1968JAP .... 39.1006D . DOI : 10.1063 / 1.1656144 . - ^ Джеральд Э. Браун и Маннк Ро (март 1979 г.). «Сумочка». Phys. Lett. B . 82 (2): 177–180. Полномочный код : 1979PhLB ... 82..177B . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (79) 90729-9 .
- ^ Вепстас, Л .; Джексон, AD ; Гольдхабер, А.С. (1984). «Двухфазные модели барионов и киральный эффект Казимира». Физика Письма Б . 140 (5–6): 280–284. Bibcode : 1984PhLB..140..280V . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (84) 90753-6 .
- ^ Вепстас, Л .; Джексон, AD (1990). «Обоснование хирального мешка». Отчеты по физике . 187 (3): 109–143. Bibcode : 1990PhR ... 187..109V . DOI : 10.1016 / 0370-1573 (90) 90056-8 .
- ^ Ажар, Мария; Мостовой, Максим (2017). «Несоизмеримый спиральный порядок из двойного обмена». Письма с физическим обзором . 118 (2): 027203. arXiv : 1611.03689 . Bibcode : 2017PhRvL.118b7203A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.118.027203 . PMID 28128593 .
- ^ Леонов, АО; Мостовой, М. (2015-09-23). «Многопериодические состояния и изолированные скирмионы в анизотропном фрустрированном магните» . Nature Communications . 6 : 8275. arXiv : 1501.02757 . Bibcode : 2015NatCo ... 6.8275L . DOI : 10.1038 / ncomms9275 . ISSN 2041-1723 . PMC 4667438 . PMID 26394924 .
- ^ Хайнце, Стефан; Фон Бергманн, Кирстен; Мензель, Матиас; Бреде, Йенс; Кубецка, Андре; Визендангер, Роланд ; Бильмайер, Густав; Блюгель, Стефан (2011). «Спонтанная решетка магнитных скирмионов атомного масштаба в двух измерениях» . Физика природы . 7 (9): 713–718. Bibcode : 2011NatPh ... 7..713H . DOI : 10.1038 / NPHYS2045 . S2CID 123676430 . Краткое содержание (31 июля 2011 г.).
- ^ А. Ферт; В. Крос; Дж. Сампайо (2013). «Скирмионы на трассе». Природа Нанотехнологии . 8 (3): 152–156. Bibcode : 2013NatNa ... 8..152F . DOI : 10.1038 / nnano.2013.29 . PMID 23459548 .
- ^ Ю. Чжоу; Э. Якокка; AA Awad; РК Дюма; ФК Чжан; HB Braun; Я. Акерман (2015). «Динамически стабилизированные магнитные скирмионы» . Nature Communications . 6 : 8193. Bibcode : 2015NatCo ... 6.8193Z . DOI : 10.1038 / ncomms9193 . PMC 4579603 . PMID 26351104 .
- ^ XC Zhang; М. Эзава; Ю. Чжоу (2014). «Магнитные скирмионные логические ворота: преобразование, дублирование и объединение скирмионов» . Научные отчеты . 5 : 9400. arXiv : 1410.3086 . Bibcode : 2015NatSR ... 5E9400Z . DOI : 10.1038 / srep09400 . PMC 4371840 . PMID 25802991 .
- ^ Romming, N .; Hanneken, C .; Menzel, M .; Бикель, Дж. Э .; Wolter, B .; Фон Бергманн, К .; Кубецка, А .; Визендангер, Р. (2013). «Запись и удаление одиночных магнитных скирмионов» . Наука . 341 (6146): 636–639. Bibcode : 2013Sci ... 341..636R . DOI : 10.1126 / science.1240573 . PMID 23929977 . Краткое содержание - Phys.org (8 августа 2013 г.).
- ^ Сюй, Пин-Жуй; Кубецка, Андре; Finco, Aurore; Ромминг, Никлас; Бергманн, Кирстен фон; Визендангер, Роланд (2017). «Коммутация индивидуальных магнитных скирмионов под действием электрического поля». Природа Нанотехнологии . 12 (2): 123–126. arXiv : 1601.02935 . Bibcode : 2017NatNa..12..123H . DOI : 10.1038 / nnano.2016.234 . PMID 27819694 .
- ^ Цзян, Ваньцзюнь; Упадхьяя, Прамей; Чжан, Вэй; Юй Гоцян; Юнгфляйш, М. Бенджамин; Fradin, Frank Y .; Пирсон, Джон Э .; Церковняк, Ярослав; Ван, Кан Л. (17.07.2015). «Выдувание пузырей магнитных скирмионов». Наука . 349 (6245): 283–286. arXiv : 1502.08028 . Bibcode : 2015Sci ... 349..283J . DOI : 10.1126 / science.aaa1442 . ISSN 0036-8075 . PMID 26067256 .
- ^ Д.А. Гилберт; BB Maranville; А.Л. Балк; Би Джей Кирби; П. Фишер; Д. Т. Пирс; Дж. Унгурис; JA Borchers; К. Лю (8 октября 2015 г.). «Реализация решеток искусственных скирмионов в основном состоянии при комнатной температуре» . Nature Communications . 6 : 8462. Bibcode : 2015NatCo ... 6.8462G . DOI : 10.1038 / ncomms9462 . PMC 4633628 . PMID 26446515 . Краткое содержание - NIST .
- ^ Гилберт, Дастин А .; Maranville, Brian B .; Балк, Андрей Л .; Кирби, Брайан Дж .; Фишер, Питер; Пирс, Дэниел Т .; Унгурис, Джон; Borchers, Julie A .; Лю, Кай (2015-10-08). «Реализация решеток искусственных скирмионов в основном состоянии при комнатной температуре» . Nature Communications . 6 : 8462. Bibcode : 2015NatCo ... 6.8462G . DOI : 10.1038 / ncomms9462 . PMC 4633628 . PMID 26446515 .
- ^ «Новый способ создания спинтронного магнитного хранилища информации» . KurzweilAI . 9 октября 2015 года . Проверено 14 октября 2015 .
- ^ Ма, Чжуан; Чжан, Сичао; Ся, Цзин; Эзава, Мотохико; Цзян, Ваньцзюнь; Оно, Теруо; Пираманаягам, С. Н.; Морисако, Акимицу; Чжоу, Ян (2018-12-12). «Создание индуцированного электрическим полем и направленное движение доменных границ и скирмионных пузырей». Нано-буквы . 19 (1): 353–361. arXiv : 1708.02023 . DOI : 10.1021 / acs.nanolett.8b03983 . PMID 30537837 .
- ^ Прем Пираманаягам (12 марта 2019 г.). Прорыв в манипулировании скирмионами с помощью электрического поля . YouTube.
дальнейшее чтение
- Разработки в магнитных скирмионах идут группами , веб-статья IEEE Spectrum 2015