Скирмион - Skyrmion - Wikipedia
В теории частиц скирмион (/ˈskɜːrмя.ɒп/) - топологически устойчивая конфигурация поля некоторого класса нелинейных сигма модели. Первоначально он был предложен как модель нуклон к Тони Скирм в 1962 г.[1][2][3] Как топологический солитон в пион поле, он обладает замечательным свойством моделировать с разумной точностью многочисленные низкоэнергетические свойства нуклона, просто фиксируя радиус нуклона. С тех пор он нашел применение в физика твердого тела, а также связанные с определенными областями теория струн.
Скирмионы как топологические объекты важны в физика твердого тела, особенно в новых технологиях спинтроника. Двумерный магнитный скирмион, как топологический объект, формируется, например, из трехмерного «ежа» эффективного спина (в области микромагнетизм: из так называемого "Точка Блоха "особенность гомотопической степени +1) стереографическая проекция, посредством чего положительный спин северного полюса отображается на дальний краевой круг 2D-диска, в то время как отрицательный спин южного полюса отображается на центр диска. В спинорное поле как например фотонный или же поляритонные жидкости топология скирмиона соответствует полному пучку Пуанкаре [4](то есть квантовый вихрь из вращение включая все состояния поляризация ).[5]
Сообщалось, но не было окончательно доказано, что скирмионы находятся в Конденсаты Бозе-Эйнштейна,[6] сверхпроводники,[7] тонкие магнитные пленки[8] а в хиральном нематике жидкие кристаллы.[9]
Как модель нуклон, топологическая устойчивость Скирмиона может быть интерпретирована как утверждение о сохранении барионного числа; т.е. что протон не гниет. Лагранжиан Скирма - это, по сути, однопараметрическая модель нуклона. Фиксация 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 хиральная сумка модель (Модель Чеширского кота) нуклона. Точные результаты для двойственности между спектром фермионов и топологическим числом витков нелинейной сигма-модели были получены Дэн Фрид. Это можно интерпретировать как основу двойственности между КХД-описанием нуклона (но состоящим только из кварков и без глюонов) и моделью Скирма для нуклона.
Скирмион можно квантовать, чтобы сформировать квантовая суперпозиция барионов и резонансных состояний.[10] Это можно было предсказать по некоторым свойствам ядерной материи.[11]
Топологический солитон
В теории поля скирмионы гомотопически нетривиальные классические решения нелинейная сигма-модель с нетривиальным целевой коллектор топология - следовательно, они топологические солитоны. Пример встречается в хиральные модели[12] из мезоны, где целевым многообразием является однородное пространство из структурная группа
где SU (N)L и SU (N)р - левая и правая киральные симметрии, а SU (N)диагональ это диагональная подгруппа. В ядерная физика, при N = 2 под киральными симметриями понимаются изоспин симметрия нуклон. Для N = 3 симметрия изолюбия между верхним, нижним и странным кварки более ломан, а модели скирмионов менее успешны или точны.
Если пространство-время имеет топологию S3×р, то классические конфигурации можно классифицировать интегралом номер намотки[13] потому что третий гомотопическая группа
эквивалентно кольцу целых чисел со знаком конгруэнтности, относящимся к гомеоморфизм.
К киральному лагранжиану можно добавить топологический член, интеграл которого зависит только от гомотопический класс; это приводит к секторы суперотбора в квантованной модели. В 1 + 1-мерном пространстве-времени скирмион может быть аппроксимирован солитон из Уравнение синус-Гордона; после квантования Анзац Бете или иначе, он превращается в фермион взаимодействуя в соответствии с массивным Модель Тирринга.
Лагранжиан
В Лагранжиан для скирмиона, как написано для исходного кирального SU (2) эффективный лагранжиан нуклон-нуклонного взаимодействия (в 3 + 1-мерном пространстве-времени) можно записать как
куда
и
и являются изоспин Матрицы Паули, и это Кронштейн лжи коммутатор, tr - след матрицы. Мезонное поле (пион поле, с точностью до размерного фактора) в пространственно-временной координате дан кем-то . Широкий обзор геометрической интерпретации представлен в статье о сигма модели.
Когда написано так, явно является элементом Группа Ли SU (2) и элемент Алгебра Ли su (2). Пионное поле можно абстрактно понимать как раздел из касательный пучок из основной пучок волокон SU (2) в пространстве-времени. 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 постоянная распада пиона. (В измерениях 1 + 1 эта константа немерна и, следовательно, 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 корректируется 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 точного, делает модель нуклона Скирма такой привлекательной и интересной. Так, например, постоянная в четвертом члене интерпретируется как вектор-пионная связь между ро-мезон (ядерная вектор мезон ) и пион; скирмион связывает значение этой постоянной с радиусом бариона.
Ток Нётер
Плотность локальной намотки определяется выражением
куда полностью антисимметричный Символ Леви-Чивита (эквивалентно Ходжа звезда, в контексте).
Как физическую величину это можно интерпретировать как барионный ток; сохраняется: , а сохранение следует как Ток Нётер для киральной симметрии.
Соответствующие обвинять это барионное число:
Как сохраненный заряд, он не зависит от времени: , физическая интерпретация которого такова: протоны не распадаются.
в хиральная сумка модель, в центре вырезается отверстие и заполняется кварками. Несмотря на этот очевидный «взлом», полное барионное число сохраняется: недостающий заряд из дыры в точности компенсируется спектральная асимметрия вакуумных фермионов внутри мешка![14][15][16]
Магнитные материалы / хранение данных
Одна из разновидностей скирмионов - это магнитные скирмионы, найденный в магнитных материалах, которые проявляют спиральный магнетизм из-за Взаимодействие Дзялошинского-Мория, механизм двойного обмена[17] или соревнуясь Гейзенберговские обменные взаимодействия.[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 несуществование скирмионов, может представлять битовые состояния «1» и «0». Сообщалось о скирмионах комнатной температуры.[25][26]
Скирмионы работают с плотностями тока, которые 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 кобальтовых дисков в качестве искусственных решеток блоховских скирмионов на тонкой пленке кобальт и палладий. Асимметричные магнитные наноточки формировали узор контролируемой округлости на подслое с перпендикулярным магнитным полем. анизотропия (ПМА). Полярность контролируется настроенной последовательностью магнитного поля и демонстрируется при измерениях магнитометрии. Вихревая структура отпечатывается в межфазной области подслоя за счет подавления ПМА критическим ионное облучение шаг. Решетки отождествляются с поляризованными нейтронная рефлектометрия и были подтверждены магнитосопротивление измерения.[27][28]
Недавняя статья (2019)[29] продемонстрировал способ перемещения скирмионов, используя только электрическое поле (в отсутствие электрического тока). Авторы использовали мультислои Co / Ni с наклоном толщины и взаимодействие Дзялошинского-Мориа и продемонстрировали скирмионы. Они показали, что смещение и скорость напрямую зависят от приложенного напряжения. [30]
В 2020 году команда исследователей из Швейцарские федеральные лаборатории материаловедения и технологий (Empa) впервые удалось создать настраиваемую многослойную систему, в которой два разных типа скирмионов - будущие биты для «0» и «1» - могут существовать при комнатной температуре.
Рекомендации
- ^ Скирм, Т. (1962). «Единая теория поля мезонов и барионов». Ядерная физика. 31: 556–569. Bibcode:1962NucPh..31..556S. Дои: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. Получено 4 июля 2017.
- ^ Браун, Г. Э. (ред.) (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, А. М.; Браун, T G; Алонсо, М. А (2010). «Полные пучки Пуанкаре». Opt Express. 18 (10): 10777–10785. Дои:10.1364 / OE.18.010777.
- ^ Донати, S; Dominici, L; Dagvadorj, G; и другие. (2016). «Закрутка обобщенных скирмионов и спиновых вихрей в поляритонной сверхтекучей жидкости». Proc Natl Acad Sci USA. 113 (52): 14926–14931. arXiv:1701.00157. Bibcode:2016PNAS..11314926D. Дои:10.1073 / pnas.1610123114. ЧВК 5206528. PMID 27965393.
- ^ Аль-Хаваджа, Усама; Стооф, Хенк (2001). «Скирмионы в ферромагнитном конденсате Бозе – Эйнштейна». Природа. 411 (6840): 918–20. arXiv:cond-mat / 0011471. Bibcode:2001Натура.411..918А. Дои:10.1038/35082010. HDL:1874/13699. PMID 11418849.
- ^ Баскаран, Г. (2011). «Возможность скирмионной сверхпроводимости в легированном антиферромагнетике K2Fe4Se5". arXiv:1108.3562 [cond-mat.supr-con ].
- ^ Киселев, Н. С .; Богданов, А. Н .; Schäfer, R .; Росслер, У. К. (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. Дои:10.1088/0022-3727/44/39/392001.
- ^ Fukuda, J.-I .; Umer, S. (2011). «Квазидвумерные решетки скирмионов в киральном нематическом жидком кристалле». Nature Communications. 2: 246. Bibcode:2011НатКо ... 2..246F. Дои:10.1038 / ncomms1250. PMID 21427717.
- ^ Вонг, Стивен (2002). «Что такое Скирмион?». arXiv:hep-ph / 0202250.
- ^ Хошбин-э-Хошназар, М.Р. (2002). «Коррелированные квазискирмионы как альфа-частицы». Евро. Phys. J. A. 14 (2): 207–209. Bibcode:2002EPJA ... 14..207K. Дои:10.1140 / epja / i2001-10198-7.
- ^ Хиральные модели подчеркивают разницу между «левизной» и «правшей».
- ^ Та же классификация применима к упомянутой особенности "ежа" эффективного вращения: вращение вверх на северном полюсе, но вниз на южном полюсе.
Смотрите также Деринг, В. (1968). «Точечные особенности в микромагнетизме». Журнал прикладной физики. 39 (2): 1006–1007. Bibcode:1968JAP .... 39.1006D. Дои:10.1063/1.1656144. - ^ Джеральд Э. Браун и Маннке Ро (Март 1979 г.). «Сумочка». Phys. Lett. B. 82 (2): 177–180. Bibcode:1979ФЛБ ... 82..177Б. Дои:10.1016/0370-2693(79)90729-9.
- ^ Вепстас, Л .; Джексон, A.D.; Гольдхабер, А. (1984). «Двухфазные модели барионов и киральный эффект Казимира». Письма по физике B. 140 (5–6): 280–284. Bibcode:1984ФЛБ..140..280В. Дои:10.1016/0370-2693(84)90753-6.
- ^ Вепстас, Л .; Джексон, А.Д. (1990). «Обоснование хирального мешка». Отчеты по физике. 187 (3): 109–143. Bibcode:1990ФР ... 187..109В. Дои:10.1016/0370-1573(90)90056-8.
- ^ Ажар, Мария; Мостовой, Максим (2017). «Несоизмеримый спиральный порядок из двойного обмена». Письма с физическими проверками. 118 (2): 027203. arXiv:1611.03689. Bibcode:2017PhRvL.118b7203A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.118.027203. PMID 28128593.
- ^ Леонов, А.О .; Мостовой, М. (2015-09-23). «Многопериодические состояния и изолированные скирмионы в анизотропном фрустрированном магните». Nature Communications. 6: 8275. arXiv:1501.02757. Bibcode:2015 НатКо ... 6.8275L. Дои:10.1038 / ncomms9275. ISSN 2041-1723. ЧВК 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". Природа Физика. 7 (9): 713–718. Bibcode:2011НатФ ... 7..713Ч. Дои:10.1038 / NPHYS2045. Сложить резюме (31 июля 2011 г.).
- ^ А. Ферт; В. Крос и Дж. Сампайо (2013). «Скирмионы на трассе». Природа Нанотехнологии. 8 (3): 152–156. Bibcode:2013НатНа ... 8..152F. Дои:10.1038 / nnano.2013.29. PMID 23459548.
- ^ Ю. Чжоу; Э. Якокка; А.А. Авад; Р.К. Дюма; F.C. Чжан; H.B. Браун; Я. Акерман (2015). «Динамически стабилизированные магнитные скирмионы». Nature Communications. 6: 8193. Bibcode:2015 НатКо ... 6.8193Z. Дои:10.1038 / ncomms9193. ЧВК 4579603. PMID 26351104.
- ^ X.C. Чжан; М. Эзава; Ю. Чжоу (2014). «Логические ворота магнитного скирмиона: преобразование, дублирование и слияние скирмионов». Научные отчеты. 5: 9400. arXiv:1410.3086. Bibcode:2015НатСР ... 5Е9400Z. Дои:10.1038 / srep09400. ЧВК 4371840. PMID 25802991.
- ^ Romming, N .; Hanneken, C .; Menzel, M .; Bickel, J. E .; Wolter, B .; Фон Бергманн, К .; Кубецка, А .; Визендангер, Р. (2013). «Запись и удаление одиночных магнитных скирмионов». Наука. 341 (6146): 636–9. Bibcode:2013Научный ... 341..636R. Дои:10.1126 / science.1240573. PMID 23929977. Сложить резюме – 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:2017НатНа..12..123H. Дои: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. (2015-07-17). «Выдувание пузырей из магнитных скирмионов». Наука. 349 (6245): 283–286. arXiv:1502.08028. Bibcode:2015Научный ... 349..283J. Дои:10.1126 / science.aaa1442. ISSN 0036-8075. PMID 26067256.
- ^ Д.А. Гилберт; B.B. Maranville; А.Л. Балк; Би Джей Кирби; П. Фишер; Д.Т. Пирс; Дж. Унгурис; J.A. Борхерс; К. Лю (8 октября 2015 г.). «Реализация решеток искусственных скирмионов в основном состоянии при комнатной температуре». Nature Communications. 6: 8462. Bibcode:2015 НатКо ... 6,8462 г. Дои:10.1038 / ncomms9462. ЧВК 4633628. PMID 26446515. Сложить резюме – 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:2015 НатКо ... 6,8462 г. Дои:10.1038 / ncomms9462. ЧВК 4633628. PMID 26446515.
- ^ «Новый способ создания спинтронного магнитного хранилища информации | KurzweilAI». www.kurzweilai.net. 9 октября 2015 г.. Получено 2015-10-14.
- ^ Ма, Чуанг; 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. Дои:10.1021 / acs.nanolett.8b03983. PMID 30537837.
- ^ Прем Пираманаягам (2019-03-12), Прорыв в манипулировании скирмионами с помощью электрического поля, получено 2019-03-13
дальнейшее чтение
- Разработки в области магнитных скирмионов идут группами, IEEE Spectrum Веб-статья за 2015 год