Физики экспериментально подтвердили существование антискирмионов
Магнитный скирмион — квазичастица в магнитном материале, представляющая собой топологически устойчивый вихреподобный участок обратной намагниченности. В своей новой работе с помощью лоренцевской микроскопии физики из Германии смогли экспериментально подтвердить существование нового типа таких квазичастиц — антискирмионов, которое до этого предсказывалось лишь теоретически. Работа опубликована в Nature.
Впервые модель скирмиона была предложена в 1962 году Тони Скайрмом для описания барионов. Скирмион является одной из топологически устойчивых конфигураций поля в нелинейной сигма-модели. Предложенная теория предсказывала существование подобной конфигурации для различных типов полей, в частности, возможность образования магнитных скирмионов в магнитных материалах. Внутри скирмиона магнитный момент ориентирован в противоположном направлении по сравнению с остальным материалом. При этом, чтобы такая квазичастица была устойчивой, магнитная кристаллическая структура должна обладать нарушенной инверсионной симметрией. В зависимости от симметрии кристалла ученым ранее удавалось наблюдать два типа скирмионов — неелевские и блоховские скирмионы, названные так по характеру их доменных стенок. При этом теория предсказывала возможность образования еще одного типа скирмионов — антискирмиона, у которого участки неелевского и блоховского типа границ чередуются. В отличие от других магнитных скирмионов, антискирмионы обладают квадрупольным моментом магнитного заряда, что делает их перспективными, например, для спинтроники. Однако до сегодняшнего дня экспериментально такой тип скиримонов не наблюдался.
В своей новой работе немецким ученым удалось подтвердить существование антискирмиона экспериментально. Для этого они исследовали гейслеровские сплавы нескольких составов на основе структуры Mn1.4PtSn, которые обладают тетрагональной кристаллической структурой с симметрией группы D2d. Они интересны тем, что могут изменять свою форму и механические свойства в ответ на приложенное магнитное поле, а наличие симметрии D2d позволяло предположить возможность образования в них антискирмионов.
Лоренцевская просвечивающая электронная микроскопия показала, что при при приложении внешнего магнитного поля вдоль тетрагональной оси в изученном материале действительно образуется гексагональная решетка антискирмионов. Они оказались устойчивыми при температурах до 350 кельвинов, при этом ожидается, что они существуют и при более высоких температурах вплоть до температуры Кюри (для исследованных гейслеровских сплавов она составляет около 400 кельвинов). При повороте поля структура антискирмионов искажалась, а ядро квазичастиц смещалось из центра ячейки.
Ученые утверждают, что в дальнейшем возможность варьировать состав гейслеровских сплавов позволит контролировать свойства антискирмионов за счет изменения симметрии кристаллической структуры или числа валентных электронов.
Полученные результаты, вероятно, помогут упростить методики управления движения скирмионами. Теоретические исследования предсказывают, что антискирмионы при приложении тока будут двигаться по прямой линии, в отличие от обычных скиримионов, которые движутся по кривым. Раньше мы писали, что управлять движением скирмионов можно с помощью механического воздействия или используя свойства нескольких магнитных подрешеток в антиферромагнетиках.
В ловушку Пауля уместилось 105 ионов кальция
Австрийские физики смогли собрать в ловушке Пауля двумерный ионный кристалл, состоящий из 105 ионов кальция — это самый большой показатель на сегодняшний день. Кристалл был стабилен в течение нескольких секунд, также физикам удалось добиться охлаждения ионов в основное колебательное состояние и доступа к отдельным частицам. В перспективе это позволит существенно расширить квантовые вычисления и квантовые симуляции на ионных массивах. Исследование опубликовано в PRX QUANTUM. Массивы ионов, выстроенные в ловушках — это перспективная система для квантовых вычислений и квантовых симуляций. Ионы хороши тем, что взаимодействуют друг с другом сильно, а также позволяют удерживать себя электрическими и магнитными полями. За счет этого вычислители на ионах можно сделать компактнее. Одна из главный проблем этой технологии — масштабируемость. Рекордные 53 иона были собраны группой Монро еще в 2017 году, и дальнейший рост сталкивается с целым рядом технических трудностей. Их можно было бы преодолеть, собирая двумерные упорядоченные структуры. Такие эксперименты проводились, однако тогда физики не имели доступа к управлению отдельными ионами из-за особенностей удерживающих ловушек. Ситуация изменилась благодаря работе физиков из Инсбрукского университета. Ученые смогли собрать устойчивую двумерную структуру из 105 ионов кальция, удерживаемых монолитной радиочастотной ловушкой Пауля. Им также удалось перевести такой кулоновский кристалл в основное состояние по поперечным колебательным модам, что необходимо для реализации разнообразных протоколов запутывания. Большая трудность, которая встает на пути удержания двумерных массивов паулевой ловушкой — это высокая чувствительность ионов в неточности расположения ее элементов. Для борьбы с этой проблемой, физики использовали монолитный подход, в котором все элементы ловушки остаются частью одного твердого тела, а потому практически не смещаются относительно друг друга. Авторы изготавливали электроды таким образом, чтобы сформировать плоский анизотропный потенциал, из-за чего ионный кристалл принимал эллиптическую форму. Их установка давала лазерным лучам доступ к ионам в широком диапазоне углов, что позволило эффективно проводить манипуляции и визуализацию кристалла. В начале эксперимента физики подвергали лазерной абляции твердотельный кальциевый образец. Они облучали испущенные атомы ионизирующим лучом, после чего ионы попадали в область ловушечных потенциалов, где в течение минуты формировался кристалл. Ученые охлаждали его с помощью метода боковой полосы и метода электромагнитно-индуцированной прозрачности. В качестве кубитов авторы использовали несколько зеемановских подуровней. Для контроля отдельных ионов они фокусировали свет с помощью двухмерного акустооптического дефлектора. Оказалось, что время когерентности в таких кубитах может быть продлено до 370 миллисекунд при том, что сам кулоновский кристалл остается стабильным в течение нескольких секунд даже без лазерного охлаждения. Один из путей масштабирования квантовых вычислений на ионах — использовать кудиты вместо кубитов за счет нескольких уровней. Недавно мы рассказывали, как российские физики объединили два кукварта на основе ионов кальция и продемонстрировали на них универсальный набор квантовых операций.