Физики впервые получили трехмерные скирмионы

Физики впервые получили трехмерные скирмионы — объемные структуры в конденсате Бозе — Эйнштейна с упорядоченной вихревой структурой спинов, в которой спины в центре и на краю имеют противоположное направление. Устойчивый клубок электрического и магнитного полей в этом трехмерном скирмионе можно рассматривать в качестве возможной квантовой модели шаровой молнии, пишут ученые в Science Advances.

В некоторых магнитных материалах может возникать скирмионы, это особый тип квазичастиц, которые представляют собой вихревые структуры, обладающие обратной намагниченностью. На сегодняшний день получить скирмионы экспериментально удавалось лишь в плоских пленках на поверхностях различных материалов, и все они имели выраженную двумерную структуру. Тем не менее, теоретически было предсказано возможное существование и трехмерных скирмионов — так называемых скирмионов Шанкара, в которых за счет точного управления спиновым полем конденсата Бозе — Эйнштейна с ориентированной структурой спинов возникает особая структура скрученных в клубок электрического и магнитного полей.

Группа физиков из США и Финляндии под руководством Ли Вон-Дже (Wonjae Lee) из Амхерстского колледжа впервые получила трехмерные скирмионы экспериментально, а также изучила их устойчивость и эволюцию с течением времени. Для этого авторы работы использовали ферромагнитный спин-поляризованный конденсат Бозе — Эйнштейна в облаке атомов рубидия ⁸⁷Rb, состоянием спинов в котором можно управлять, изменяя распределение внешнего магнитного поля.

За счет линейной комбинации пространственно распределенного квадрупольного и быстро затухающего магнитных полей ученым удалось получить необходимую спиновую структуру в конденсате атомов, зафиксированных с помощью оптической ловушки. Ориентация спинов в таком трехмерном скирмионе меняется непрерывно, без разрывов и сингулярностей. При проходе от одного края скирмиона до другого спин совершает два полных оборота.

Такая структура приводит к тому, что вокруг центра скирмиона возникают кольцевые магнитные поля, и весь скирмион становится своеобразным клубком из линий электрического и магнитного полей, свернутых в один узел. Изменение структуры скирмиона с течением времени ученые исследовали, получая изображение распределений плотности частиц конденсата с разным спиновым состоянием.

По словам авторов работы, полученные структуры оказались довольно устойчивыми и могут существовать десятые доли миллисекунды. Результаты, полученные экспериментально, ученые сравнили с численным моделированием и обнаружили, что данные хорошо согласуются друг с другом, что подтверждает успешность эксперимента и образование в конденсате Бозе — Эйнштейна нужной спиновой структуры.

Ученые отмечают, что возникающая в трехмерных скирмионах устойчивая электромагнитная структура может быть квантовым аналогом шаровой молнии. Стабильность подобных квантовых структур может подтвердить возможность существования шаровых молний, время жизни которых значительно превышает длительность обычного электрического разряда в атмосфере. При этом, поскольку саму шаровую молнию получить в лабораторных условиях не удается, квантовый скирмионный аналог может стать полезным инструментом для изучения ее свойств.

Несмотря на то, что теоретически существование различных типов скирмионов(как двумерных, так и трехмерных) было предсказано еще несколько десятков лет назад, получать их экспериментально стало возможно только сейчас. Например, недавно ученые впервые создали двумерные магнитные антискирмионы, в которых на границах доменов чередуются участки неелевского и блоховского типов взаимодействия между спинами.

Александр Дубов