Физики научились управлять скирмионами в нанокристаллах
Антисимметричное магнитное взаимодействие приводит к возникновению в магнитоупорядоченной среде областей с обратной намагниченностью, например скирмионов. В своей новой работе американские физики предложили способ управлять этим взаимодействием с помощью бомбардировки таких областей ионами аргона с энергией около 100 электронвольт. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Магнитный порядок возникает в кристаллических структурах в результате обменного взаимодействия спинов соседних атомов. Это приводит к взаимной ориентации спинов и возникновению магнитных доменов. В многоэлектронных атомах дополнительный вклад вносит спин-орбитальное взаимодействие и взаимодействие с магнитным полем кристаллической решетки.
В случае, если поле кристаллической решетки является анизотропным, это может приводить к локальной переориентации спинов из-за антисимметричного обмена. Чаще всего такой эффект можно наблюдать в антиферромагнетиках, в которых из-за него возникают области спонтанной намагниченности. Кроме этого, примерами антисимметричного магнитного взаимодействия являются скирмионы — вихревые образования с обратной намагниченностью в магнитных материалах. Ученые многократно предпринимали попытки управлять антисимметричным взаимодействием, но почти всегда изменение энергии антисимметричного обмена дополнительно приводило к большому количеству неконтролируемых сопряженных изменений магнитных свойств.
В своей новой работе американские физики предложили новый способ управления антисимметричным магнитным взаимодействием с использованием пучка ионов аргона Ar+. Ионным пучком ученые облучали трехслойную систему, в которой магнитным компонентом был 0,8-нанометровый слой кобальта, зажатый между двумя более толстыми (но тоже нанометровой толщины) слоями платины. При бомбардировке ионы аргона попадали на слой платины, выбивая часть атомов платины из решетки. Это приводило к увеличению ее шероховатости и, из-за очень небольшой толщины слоя, изменению энергии межфазной границы кобальт-платина и магнитного порядка в слое кобальта.
Для получения необходимой магнитной структуры в нанослое кобальта ученые прикладывали магнитное поле под углом к плоскости пленки. В результате нормальная компонента поля приводила к образованию радиально-симметричной области с магнитным порядком, а тангенциальная компонента — к изменению формы этой области как раз за счет антисимметричного обменного взаимодействия. За изменением формы и структуры образующейся области ученые наблюдали с помощью магнитооптического эффекта Керра. А зная скорость и направление движения доменной стенки, ученые смогли определить величину и знак антисимметричного взаимодействия.
Оказалось, что при облучении низкоэнергетическими ионами энергия антисимметричного взаимодействия положительная, а при облучении высокооэнергетическими — отрицательная. Меняя энергию пучка и величину магнитного поля, физики смогли управлять знаком и величиной антисимметричного обменного взаимодействия. Проварьировав энергию ионного пучка от 50 до 140 электронвольт и магнитное поле от 2 до 12 миллитесла, исследователи получили диаграмму величины антисимметричного магнитного взаимодействия в слое кобальта. Если для слабых магнитных полей преобладает область отрицательной энергии антисимметричного взаимодействия, то для сильных полей влияние ионного пучка сводится к минимуму.
По утверждениям ученых, предложенный ими способ управления антисимметричным магнитным взаимодействием в наномагнитных структурах, позволит создавать устройства с настраиваемыми свойствами скирмионов. Ранее физики уже предлагали способы управления скирмионами, например с помощью механического воздействия. Но до этого управляемо удавалось только создавать и уничтожать их, но не изменять их свойства.
Александр Дубов
Для этого физики упрятали почти четыре тонны жидкого ксенона под гору
Физики из коллаборации PandaX поделились результатами поиска следов электромагнитного взаимодействия обычной и темной материй. Для этого они искали отклонения в числе фотонов, рожденных в 3,7 тонны жидкого ксенона, от модельного предсказания. Отрицательный результат позволил наложить новые ограничения на все типы электромагнитных свойств гипотетических частиц. Исследование опубликовано в Nature. Поиск частиц темной материи — важнейшая задача, над которой физики и астрономы бьются уже почти век. Ее существование доказывают наблюдения за движением галактик и реликтовым излучением, но, несмотря на это, ученые до сих пор не понимают, из чего она состоит. Подробнее про темную материю читайте в материале «Невидимый цемент Вселенной». Среди прочего физики спорят, участвуют ли частицы темной материи в электромагнитном взаимодействии. Само определение «темная» подразумевает отрицательный ответ, однако, это может лишь значить, что такое взаимодействие слишком слабое, чтобы его могли зафиксировать общие наблюдения и эксперименты. Темная материя может состоять из миллизаряженных частиц или частиц с неточечным зарядом, либо частиц с малым электрическими или магнитными дипольными моментами, анапольными моментами и так далее. Поиск следов такого взаимодействия ведется на самых различных установках. Среди прочего, этим заняты физики из коллаборации PandaX-4T, работающие в зале B2 Китайской подземной лаборатории Цзиньпин. Ученые исследуют гипотетический процесс, при котором частица темной материи обменивается фотоном с ядром вещества. Модели предсказывают, что его итогом должно стать излучение, испущенное ускоренным ядром, и излучение, испущенное электронами, оторвавшимися от ядра. Чтобы отыскать такие пары сигналов, физики наполняли свой детектор 3,7 тонны жидкого ксенона, окруженного с двух сторон массивами фотоумножителей. При анализе данных, собранных за 86 дней измерений, ученые учитывали множество фоновых процессов: бета-распады прочих ядер, естественную радиоактивность материалов детектора, влияние солнечных нейтрино и так далее. В результате оказалось, что учета фоновых процессов достаточно, чтобы объяснить происхождение более тысячи событий, зарегистрированных установкой. Результат эксперимента накладывает ограничения на известные электромагнитные модели частиц темной материи в диапазоне масс от 20 до 40 гигаэлектронвольт. Так, из него следует, что зарядовый радиус этих частиц не превышает 1,9 × 10-10 фемтометра, миллизаряд — 1,9 × 10-10 заряда электрона, а электрический и дипольный моменты — 1,2 × 10-23 заряда электрона на сантиметр и 4,8 × 10-10 магнетона Бора, соответственно. Ограничению подвергся также анапольный момент: 1,6 × 10-33 квадратного сантиметра, что почти в три раза меньше, чем предел, полученных в предыдущем исследовании. В качестве иллюстрации авторы сравнили свои ограничения с таковыми для других распространенных заряженный частиц: нейтрона и нейтрино, полученными другими группами. Предел для зарядового радиуса темной частицы оказался на четыре порядка строже, чем у нейтрино, пределы электрического дипольного момента и анапольного момента заняли промежуточное положение между таковыми для нейтрона и нейтрино, а предел магнитного момента оказался на один порядок слабее нейтринного. Ранее мы писали про то, как предыдущая версия детектора PandaX-4T — PandaX-II, — наполненная 0,57 тонны жидкого ксенона, помогла ограничить самодействующую темную материю.