Подвижные магнитные квазимонополи предложили искать при комнатной температуре

Физики смоделировали трехмерную среду, в которой возможно существование и свободное распространение магнитных квазимонополей. Они показали, что перемещением этих квазичастиц можно управлять с помощью магнитного поля. Проведенная симуляция может стать важным шагом в реализации устройств магнетроники, работа которых основана на токах магнитных зарядов. Исследование опубликовано в журнале npj Computational Materials.

Магнитными монополями называют гипотетические частицы, которые играют ту же роль в магнетизме, что и более привычные, электрические заряды в электричестве. Иными словами, они несут ненулевой магнитный заряд и этим отличаются от обычных магнитов, обладающих и северным, и южным полюсами (магнитные диполи). Магнитных монополей нет в классической электродинамике, однако они естественным образом появляются в квантовой теории поля. Это дает надежду многим физикам однажды найти их, однако этого пока не произошло.

Вместе с тем физики научились создавать квазичастицы, которые по своему поведению очень похожи на магнитные монополи. В частности, они появляются в спиновом льде — решетке, составленной из тетраэдров, в четырех вершинах которого расположены атомные спины и, соответственно, связанные с ними магнитные дипольные моменты. В состоянии с наименьшей энергией два из них «смотрят» внутрь тетраэдра, а два — наружу. Элементарное возбуждение такой системы заключается в перевороте одного из спинов, в результате чего возникает пара нескомпенсированных магнитных зарядов. Эти возмущения могут отдаляться друг от друга, оставляя за собой цепочки магнитных дипольных моментов (струны Дирака), за что они получили название магнитных квазимонополей.

Их прямое использование, однако, осложняется хрупкостью состояния, в котором создаются эти квазичастицы. В частности, это требует довольно низких температур. Чтобы преодолеть эту сложность, физики стали исследовать искусственные спиновые льды, в том числе двумерные, где в вершинах расположены не атомы, а магнитные наноостровки. В таких системах удалось наблюдать магнитные квазимонополи, однако их подвижность была ограничена из-за того, что с ростом длины в струнах Дирака накапливалась энергия. Поэтому физики продолжают поиск удобных с практической точки зрения материалов, в которых такие квазичастицы могли бы распространяться свободно и во всех измерениях.

Одной из таких работ стало исследование группы австрийских физиков под руководством Дитера Зюсса (Dieter Suess) из Венского университета. Они смогли теоретически описать трехмерный материал, состоящий из магнитных несоприкасающихся наноэллипсоидов вращения, уложенных в идеальную решетку. Физики показали, что в этом материале в струнах Дирака будет отсутствовать «натяжение», следовательно, магнитные квазимонополи могут распространяться независимо друг от друга.

Эллиптическая форма элементов была выбрана учеными, исходя из того факта, что в такой конфигурации намагниченность остается постоянной вдоль их оси. Это делает их почти идеальными с точки зрения описания с помощью модели Изинга. Авторы подчеркивают, что описанный ими материал уже сейчас можно изготовить методами двухфотонной литографии, с учетом того, что пространство между магнитными элементами должно быть заполнено магнитным изолятором, например, соединениями, содержащими платину или ниобий.

Симуляция проводилась с помощью программного пакета magnum.fe для частиц, состоящих из материала, похожего на сплав железа и кобальта. Физики рассматривали решетку, состоящую всего из трех слоев, чтобы вычисления занимали не слишком много времени. Несмотря на это, они отмечают, что самые важные процессы происходили в среднем слое, что делает их результаты применимыми к материалам с большим числом слоев.

Проводя численный эксперимент при нулевой и комнатных температурах, физики обнаружили, что порог подвижности магнитных зарядов на два электрон-вольта ниже, чем энергия разрыва связи между ними. Это означает, что магнитные монополи с большей вероятностью будут распространяться по решетке, нежели рекомбинировать друг с другом. Исследовав зависимость этой разницы от направления перемещения и приложенного поля, авторы убедились в возможности управления этим процессом. Используя выражения для вероятности переворота спина в присутствии внешнего магнитного поля, исследователи провели динамическую симуляцию транспорта квазимонополей. Скорость их перемещения с одного узла решетки на другой составила в среднем около пяти наносекунд при приложенном поле, равном 180 миллитесла.

В заключении авторы надеются, что их работа станет важным шагом в практической реализации идеи магнетричества в виде магнетронных устройств, работающих на токах магнитных зарядов. Физики ожидают, что такие устройства будут органичным развитием существующих технологий хранения и передачи памяти, основанных на намагниченности.

Спиновые стекла давно интересуют физиков. Ранее мы уже рассказывали, как физики рассчитали в нем плотность состояний магнитных квазимонополей и как спиновые стекла самообразуются в монокристаллических островках неодима.

Марат Хамадеев