Ученые открыли новый физический феномен: сложные плетеные конструкции из скирмионов

Группа ученых из Германии, Швеции и Китая открыла новое физическое явление: сложные плетеные структуры, состоящие из крошечных магнитных вихрей, известных как скирмионы. Скирмионы были впервые обнаружены экспериментально чуть более десяти лет назад и с тех пор стали предметом многочисленных исследований, а также послужили возможной основой для инновационных концепций обработки информации, которые обеспечивают лучшую производительность и меньшее потребление энергии. Кроме того, скирмионы влияют на магниторезистивные и термодинамические свойства материала. Таким образом, открытие актуально как для прикладных, так и для фундаментальных исследований.

Веревки, нити и плетеные конструкции можно увидеть повсюду в повседневной жизни. Эти структуры также встречаются и в природе и могут, например, придавать растительным волокнам прочность на растяжение или изгиб. Теперь физики обнаружили, что такие структуры существуют в наномасштабе в сплавах железа и металлоидного германия.

Каждая из этих нанострунных лент состоит из нескольких скирмионов, скрученных вместе в большей или меньшей степени, как нити веревки. Каждый скирмион сам по себе состоит из магнитных моментов, которые направлены в разные стороны и вместе принимают форму удлиненного крошечного вихря.

Отдельная нить скирмиона имеет диаметр менее одного микрометра. Длина магнитных структур ограничена только толщиной образца; они простираются от одной поверхности образца к противоположной поверхности.

Более ранние исследования других ученых показали, что такие волокна в основном линейны и имеют почти стержневую форму. Однако микроскопические исследования сверхвысокого разрешения, проведенные в Центре Эрнста Руска выявили более разнообразную картину: на самом деле нити могут скручиваться вместе в разной степени. По словам исследователей, эти сложные формы стабилизируют магнитные структуры, что делает их особенно интересными для использования в различных приложениях.

«Математика содержит множество таких структур. Теперь мы знаем, что эти теоретические знания можно воплотить в реальных физических явлениях», — говорят ученые. «Эти типы структур внутри магнитных тел обладают уникальными электрическими и магнитными свойствами. Однако для подтверждения этого необходимы дальнейшие исследования».

Чтобы объяснить расхождение между этим исследованием и предыдущими, ученые указывают, что анализы с использованием электронного микроскопа сверхвысокого разрешения не просто предоставляют изображение образца, как, например, в случае оптического микроскопа. Это связано с тем, что квантово-механические явления вступают в игру, когда электроны высокой энергии взаимодействуют с электронами в образце.

«Вполне возможно, что другие исследователи тоже видели эти структуры под микроскопом, но не смогли их интерпретировать. Это связано с тем, что по полученным данным невозможно напрямую определить распределение направлений намагниченности в образце. Вместо этого необходимо создать теоретическую модель образца и сгенерировать из нее своего рода электронно-микроскопическое изображение», — говорит Николай Киселев, один из авторов работы.

«Если теоретические и экспериментальные изображения совпадают, можно сделать вывод, что модель способна отображать реальность».

Исследование было опубликовано в Nature Communications.