Имеет ли магнитное поле источники и вихри. Магнитное поле как вихревая структура: от скирмионов до квантовых аномальных вихрей — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как устроены магнитные вихри в сверхпроводниках и тонких магнитных пленках. Почему скирмионы и квантовые аномальные вихри важны для создания новых типов компьютерной памяти. Каковы перспективы использования магнитных вихрей в квантовых вычислениях.

Содержание

Вихревая природа магнитного поля

Магнитное поле по своей природе имеет вихревой характер. Это означает, что силовые линии магнитного поля замкнуты сами на себя и не имеют ни начала, ни конца. Такая структура магнитного поля обусловлена отсутствием в природе магнитных зарядов — аналогов электрических зарядов для магнитного поля.

Вихревой характер магнитного поля проявляется в различных физических системах:

В сверхпроводниках второго рода формируются вихри Абрикосова — области нормального состояния, окруженные сверхпроводящими токами
В тонких магнитных пленках образуются скирмионы — топологически устойчивые вихревые структуры намагниченности
В некоторых сверхпроводниках обнаружены квантовые аномальные вихри, возникающие без внешнего магнитного поля

Изучение и управление такими вихревыми магнитными структурами открывает новые возможности для создания устройств хранения и обработки информации.

Скирмионы как перспективные носители информации

Скирмионы представляют собой топологически устойчивые вихревые структуры намагниченности, которые могут формироваться в тонких магнитных пленках. Они обладают рядом уникальных свойств, делающих их перспективными для применения в устройствах памяти нового поколения:

Нанометровые размеры (от 1 до 100 нм)
Топологическая защищенность, обеспечивающая стабильность
Возможность управления электрическим током
Низкое энергопотребление при перемещении

Благодаря этим свойствам скирмионы рассматриваются как потенциальные носители информации в устройствах памяти с высокой плотностью записи и низким энергопотреблением.

Как управлять движением скирмионов?

Для практического применения скирмионов в устройствах памяти необходимо научиться эффективно ими управлять. Исследователи изучают различные методы контроля движения скирмионов:

Воздействие спин-поляризованным электрическим током
Приложение градиента магнитного поля
Создание неоднородностей в магнитной пленке
Использование температурных градиентов

Недавно было обнаружено, что скирмионы диаметром от 35 до 825 нм отклоняются от направления управляющего электрического тока на постоянный угол 9°. Это открывает возможности для создания устройств «беговой» памяти с пространственным разделением скирмионов по размеру.

Квантовые аномальные вихри — новый тип магнитных структур

В 2023 году группа исследователей обнаружила новый тип вихревых магнитных структур в сверхпроводнике на основе железа Fe(Se,Te) — квантовые аномальные вихри (QAV). Эти структуры обладают рядом необычных свойств:

Формируются спонтанно без приложения внешнего магнитного поля
Состоят из локализованных магнитных моментов атомов железа, окруженных сверхпроводящими токами
Образуют пары вихрь-антивихрь с противоположными завихренностями
Могут управляться слабыми магнитными полями и электрическими токами

Квантовые аномальные вихри представляют большой интерес для фундаментальной физики и потенциальных приложений в квантовых вычислениях.

Перспективы использования магнитных вихрей в квантовых вычислениях

Магнитные вихревые структуры, такие как скирмионы и квантовые аномальные вихри, рассматриваются как потенциальные носители квантовой информации. Они обладают рядом преимуществ для создания топологических квантовых компьютеров:

Топологическая защищенность, снижающая вероятность ошибок

Возможность существования майорановских фермионов в вихревых ядрах
Управление без сильных магнитных полей
Интеграция со сверхпроводящими системами

Однако для практической реализации квантовых вычислений на основе магнитных вихрей необходимо решить ряд фундаментальных и технологических проблем. Тем не менее, эта область исследований остается одной из самых перспективных для создания квантовых компьютеров нового поколения.

Методы исследования магнитных вихревых структур

Для изучения магнитных вихрей в тонких пленках и сверхпроводниках используются различные экспериментальные методы:

Магнитно-силовая микроскопия
Лоренцевская электронная микроскопия
Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия
Мандельштам-бриллюэновская спектроскопия
Сканирующая СКВИД-микроскопия

Эти методы позволяют визуализировать магнитные вихри, исследовать их динамику и взаимодействие с другими объектами. Развитие экспериментальных методик играет ключевую роль в понимании физики магнитных вихрей и создании на их основе новых устройств.

Применение магнитных вихрей в устройствах памяти нового поколения

Магнитные вихревые структуры, такие как скирмионы, рассматриваются как перспективные носители информации для создания устройств памяти с высокой плотностью записи и низким энергопотреблением. Ожидается, что применение скирмионов позволит:

Увеличить плотность записи информации до 100 Тбит/кв. дюйм
Снизить энергопотребление устройств памяти в 10-100 раз
Повысить скорость записи и считывания информации
Создать энергонезависимую память нового поколения

Одним из перспективных типов устройств на основе скирмионов является «беговая память» (racetrack memory). В ней информация кодируется в виде последовательности скирмионов, движущихся вдоль наноразмерных дорожек под действием электрического тока.

Заключение

Исследование магнитных вихревых структур, таких как скирмионы и квантовые аномальные вихри, открывает новые горизонты в физике магнетизма и сверхпроводимости. Эти объекты обладают уникальными свойствами, делающими их перспективными для применения в устройствах памяти нового поколения и квантовых вычислениях. Дальнейшее изучение физики магнитных вихрей и разработка методов управления ими позволит создать принципиально новые типы электронных устройств с улучшенными характеристиками.

Вихревой характер магнитного поля

Определение 1

Вихревой характер магнитного поля заключается в непрерывности линий индукции любого магнитного поля при отсутствии начала и конца, так как они либо замкнуты, либо уходят в бесконечность. На порождение полей не влияет характер контуров с током. Векторные поля, обладающие непрерывными силовыми линиями, называются

вихревыми полями. Магнитное поле также можно считать вихревым.

Электростатические поля имеют силовые линии, начинающиеся и заканчивающиеся на электрических зарядах, причем, всегда находятся в разомкнутом состоянии. Линии магнитного поля замкнуты. Это говорит об отсутствии магнитных зарядов в природе.

Электрический ток образуется благодаря движению электрических зарядов. Так как магнитных зарядов нет, это объясняет отсутствие магнитного тока. Данное утверждение можно выразить при помощи уравнения:

Определение вихревого поля также выполнимо другим способом.

Вихревое магнитное поле

Определение 2

Векторные поля, вектор которых не равен нулю – это вихревые магнитные поля.

Следуя из теоремы о циркуляции локального вида, которая влияет на вихревой характер магнитного поля:

rot B→=μ0j→ (2), где j→ считается объемной плотностью тока, и второй формы определения вихревого поля можно заключить, что магнитное поле будет вихревым там, где проходят токи, а безвихревым там, где их нет.

При отсутствии токов вектор магнитной индукции B→ представляется в виде градиента скалярного магнитного потенциала φm:

B→=-gradφm (3).

Если имеются токи, то данное представление невозможно.

Различие между потенциальными и вихревыми полями

Основными уравнениями магнитного поля постоянных токов считаются выражения вида:

rot B→=μ0j→div B→=0 (4).

Произведем сравнение с основными уравнениями электростатики:

rot E→=0div E→=1ε0ρ (5).

Рассматривая систему (5), видно, что электрическое поле всегда потенциально, а его источниками являются электростатические (неподвижные) заряды.

Определение 3

Магнитное поле считается вихревым при наличии токов. Оно зависит от формы контура и не определяется только положением начала и конца этого контура. Существование однозначной разности потенциалов в магнитном поле исключено. Значение магнитного напряжения по замкнутому контуру не равняется нулю.

Электрические токи являются источниками поля. Магнитное поле считается вихревым, так как его дивергенция везде равна нулю. Его также называют соленоидальным. Определение потенциального электростатического поля возможно при заданной дивергенции напряженности div E→ (x, y, z) в качестве функции координат. Полное определение вихревого магнитного поля реально, когда имеется мощность его вихрей, то есть rot B→ (x, y, z) как функция координат.

Пример 1

Показать, почему для вихревого магнитного поля нельзя представить вектор индукции B→ в виде градиента магнитного потенциала φm.

Решение

Возьмем формулу:

B→=-gradφm (1.1).

Для выражения (1.1) можно применить операцию rot:

rot B→=-rot gradφm (1.2).

Известно значение rot:

rot (gradφm)=0 (1.

3).

При подстановке (1.3) в (1.2) имеем:

rot B→=0.

Ответ: Вспомнив теорему о циркуляции, получаем отсутствие токов. В данном случае, представление вектора индукции магнитного поля невозможно в виде магнитного потенциала в области, где проходят токи.

Пример 2

Применение понятия скалярного магнитного потенциала φm возможно только в области пространства, где j→=0. Данная часть пространства φm характеризуется неоднозначностью функции. Показать это.

Решение

Необходимо рассмотреть магнитное поле возле контура с током, как изображено на рисунке 1. По теореме о циркуляции для любого контура выполнимо равенство:

∮LB→dl→=0.

Рисунок 1

Если токов нет, магнитное поле становится потенциальным, интеграл, который необходимо взять между A и B, не зависит от пути интегрирования, то запись примет вид:

∫AaBB→dl→=∫AbBB→dl→ (2.2).

Отсюда следует:

∫AbBB→dl→=∫ABB→dl→=φmA-φmB (2.3).

Выражение (2. 3) может быть рассмотрено в качестве разности скалярных магнитных потенциалов в точках A и B. Можно пойти иным путем и принять значение потенциала равным нулю в точке В, как выполнялось для нахождения потенциала в электростатике:

∫ABB→dl→=φmA (2.4).

При выборе контура, охватывающего какой-либо ток (контур AcbB), как показано на рисунке 1, линейный интеграл по замкнутому контуру от циркуляции вектора индукции по нему будет не равен нулю:

∮AcbBB→dl→≠0 (2.5).

Или

∮AcbBB→dl→≠∫AcBB→dl→-∫AbBB→dl→=I≠0 (2.6)

Тогда:

∫AcBB→dl→=∫AbBB→dl→+I=φmA-φmB+I (2.7).

При выборе какого-либо пути AnB, охватывающего ток в количестве n раз, имеем:

∫AnBB→dl→=φmA-φmB+nI (2.8).

Следует задать нулевой потенциал в точке В:

∫AnBB→dl→=φmA+nI (2.9).

Ответ: Получив уравнение (2.9), очевидно, что скалярный магнитный потенциал является неоднозначной величиной.

Автор: Роман Адамчук

Преподаватель физики

Физики научились управлять движением магнитных вихрей – Наука

Международный коллектив ученых исследовал характеристики движения магнитных вихрей в сверхтонких пленках. Сделан важный шаг на пути к полному управлению магнитными вихрями, а умение ими управлять позволит создать устройства для хранения и передачи информации, более эффективные, чем современные жесткие диски.

Топологическая защищенность и малые размеры скирмиона сулят ему роль важнейшего элемента новой электроники

Александр Садовников, руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского

Магнитное и электрическое поля взаимосвязаны — первое порождает второе и наоборот. В проводящих электрический ток пленках толщиной несколько ангстрем при воздействии магнитного поля образуются завихрения, называемые скирмионами. Эти объекты в миллионы раз меньше миллиметра и ведут себя так, словно являются настоящими частицами: могут двигаться и отвечать на изменения магнитного поля. Скирмионы обнаружены недавно. А в традиционных магнетиках давно известны другие магнитные возбуждения — магноны (кванты спиновой волны). Магнон — это один перевернутый спин, путешествующий по кристаллу, в котором все остальные спины смотрят в противоположную сторону.

Ангстрем (A)

— внесистемная единица измерения длины, равная десятой части нанометра (10^-10 м, или 0,1 нм). Названа в честь шведского физика Андерса Ангстрема.

Одним из наиболее интересных и актуальных вопросов в мире магнетизма является поиск режимов взаимодействия магнонов и скирмионов. Эти исследования находятся на стыке двух научных направлений — магноники и скирмионики.

Закон Мура и магноны

Большое число исследований сейчас направлено на решение фундаментальной научной задачи — поиск новых типов носителей и материальных сред для генерации, обработки и передачи сигналов. Как говорят, на создание альтернативной электроники. Согласно международной «дорожной карте» по развитию полупроводниковых технологий, за последние 15 лет выявились границы применимости закона Мура, согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые два года. В области цифровых технологий, роботизированных систем и систем обработки данных эта проблема особенно актуальна, поскольку физический предел, когда закон Мура перестает работать, уже достигнут. Не менее важной проблемой при использовании традиционной полупроводниковой элементной базы является высокое тепловыделение, а как следствие необходимость создания охлаждающих станций.

Поэтому актуальной задачей является переход на новую компонентную базу для энергоэффективных систем обработки сигналов на новых физических принципах. Одно из таких направлений — и одно из наиболее перспективных — это магноника, то есть создание новой компонентной базы на основе магнитных возбуждений.

Схематическое изображение скирмионов «разных сортов»

Управление свойствами магнонов возможно в созданных в последнее время многослойных магнонных сетях, представляющих собой топологию планарных связанных магнитных наноструктур. Несомненным преимуществом магнонных сетей является возможность интеграции в полупроводниковые топологии стандартных интегральных микросхем. Это стало возможным благодаря созданию магнитных сред (на полупроводниковых подложках) с малым затуханием спиновых волн, что, в свою очередь, может сыграть ключевую роль в создании устройств нового поколения с повышенной радиационной стойкостью для передовых цифровых систем микроволнового и терагерцового диапазона.

Магноны и скирмионы

Термин «скирмион» введен Тони Скирмом (Tony Skyrme, он конечно, Скайрм, но у нас прижилась буквальная транскрипция) в 1962 году для интерпретации полученного им решения нелинейных уравнений, причем первоначально в теории элементарных частиц. Позднее скирмион проник в физику магнетизма, здесь-то и был обнаружен экспериментально.

Сейчас благодаря прогрессу в технологии изготовления и исследования магнитных структур оказывается возможным не только наблюдать формирование скирмионов в магнитных пленках, но и управлять процессами генерации, распространения и взаимодействия скирмионов друг с другом.

Скирмион является топологическими объектом. Не вдаваясь в высокую терминологию, это означает вот что. Чтобы уничтожить обычный магнон, нужно перевернуть назад всего один спин. Поэтому магноны живут сравнительно недолго. Со скирмионом так не получится, чтобы его извести, надо повернуть огромное количество спинов. Скирмион живет долго, потому что он топологически защищен. Таким образом, скирмион — перспективный кандидат на роль носителя информационного сигнала в спинтронике.

В наших экспериментах двумерный скирмион формируется из трехмерного распределения намагниченности внутри магнитной пленки. Если представить магнитное поле как потоки воздуха, то скирмионы можно сравнить с вихрями, образующимися под действием локальной разности давления. Кроме того, внутри магнитной пленки распространяются и обычные спиновые волны — магноны.

Как и воздушные вихри и просто потоки воздуха, скирмионы и спиновые волны чувствительны к ландшафту под ними. Размер скирмионов во многом определяется свойствами материала, его несовершенствами. Например, возмущение магнитного поля может сформироваться возле небольшой царапины или, наоборот, выступа. Поскольку речь идет об очень маленьких объектах в сверхтонких пленках, точкой, инициирующей создание скирмиона, может стать пара атомов, возвышающихся над основной поверхностью. Одновременно скирмионы могут возбуждаться или управляться и спиновыми волнами.

Можно ли управлять скирмионом

Особенностью топологически стабильных конфигураций является возможность их рождения и существования при комнатной температуре, что позволяет создавать носители информации, работающие быстрее и надежнее современных. Сегодня для хранения данных нужно наложить магнитное поле на участок диска фиксированного размера, задавая тем самым значение 1 или 0 машинного кода. Создание скирмионов меньше этого размера позволит существенно «уплотнить» хранилище.

Но для хранения и манипуляции данными необходимо ответить на вопрос: можно ли управлять магнонами и скирмионами? Попытаемся ответить на него.

Одной из причин возникновения скирмионов является асимметричное взаимодействие Дзялошинского—Мории, ВДМ, (Dzyaloshinskii—Moriya interaction, DMI). Между прочим, существование этого взаимодействия еще в конце 50-х годов предсказал советский (сейчас американский) ученый Игорь Дэялошинский.

ВДМ обусловлено нарушением центральной симметрии в магнитном веществе. Для этого магнитные пленки формируются, например, на подложке тяжелого металла. Недавно было показано, что анизотропией ВДМ можно управлять путем упругого деформирования структуры, что приводит к изменению свойств магнонов, распространяющихся в магнитной пленке. И что очень важно, при изменении величины взаимодействия удается управлять и скирмионами. Более того, можно предположить, что изменение знака ВДМ приведет к переходу от одного топологического состояния к другому — от скирмиона к антискирмиону. Настоящий факт может позволить в ближайшее время наблюдать при комнатной температуре топологический фазовый переход Березинского—Костерлица—Таулеса («Ъ-Наука» писала про этот переход осенью 2016 года, когда за его теорию была присуждена Нобелевская премия).

Скирмионы в компьютерах будущего

Результат исследования термического спектра спиновых волн с помощью метода мандельштам-бриллюэновской спектроскопии, демонстрирующий асимметрию стоксового и антистоксового пиков неупругого рассеяния

Но мало того, что скирмион топологически устойчив. У него есть два направления закрученности (по часовой стрелке и против часовой стрелки) и два направления спина (вверх и вниз). Всего четыре комбинации. А следовательно, на основе магнитных вихрей возможно создание небулевой четырехзначной логики для обработки сигналов. Но даже и без этого, ввиду субнанометровых размеров магнитных пленок и нанометровых размеров самих вихрей ожидается повышение плотности хранения информации. И наконец, за счет управления движением вихрей можно создавать так называемую «беговую память» (racetrack memory). В жестком диске информация регистрируется с вращающегося элемента, а в запоминающем устройстве нового поколения по неподвижной тонкой проволоке мимо считывателя будут пробегать скирмионы. Это позволит обойтись без механически движущихся частей, что ускорит работу и повысит надежность запоминающего устройства.

Скирмионы в лаборатории магнитных метаматериалов

В работе коллектива, в который вошли ученые из лаборатории «Магнитные метаматериалы» Саратовского университета, был исследован спиновый транспорт в многослойных сверхтонких магнитных пленках и процессы формирования в них стабильных скирмионов.

При этом толщины магнитных слоев в пленках имели величину менее одной миллионной доли миллиметра. На уникальной установке мандельштам-бриллюэновской спектроскопии можно увидеть колебания локального магнитного поля. Для этого использовались лазерные источники узконаправленного света в определенном диапазоне длин волн. Луч фокусировали на образце с помощью микрообъектива. Световые частицы теряют часть энергии или, наоборот, приобретают дополнительную после взаимодействия с магнитными волнами. Было показано, что скирмионами можно управлять, воздействуя на них электрическим током.

Демонстрация движения скирмионных вихрей при пропускании тока через структуру Ta(3.2)/Pt(2.7)/[CoB (0.8)/Ir (0.4)/Pt (0.6)]×5/Pt (2.2). Направление приложенного тока указано красной и синей стрелкой.

Фото: www.nature.com

Однако большой вклад вносит микроструктура материала, по которому идет движение. Даже небольшие царапинки и несовершенства приводят к отклонению магнитных вихрей. Раннее считалось, что скирмион отклоняется от направления управляющего им электрического тока на угол, зависящий от размера завихрения. Международный коллектив исследователей обнаружил, что для скирмионов диаметром от 35 до 825 миллионных долей миллиметра угол остается неизменным и равным 9°. То есть направление движения скирмионов с размерами в изученном диапазоне будет одинаковым. Это открывает новые перспективы для создания управляемых устройств «беговой» памяти с возможностью пространственного разделения скирмионов по размеру, кодирования в их размерах дополнительной информации и возможностью ускоренного обращения к данным, записанным в скирмионах нужного типа.

Conclusion

Так обычно называется завершающий раздел в научных статьях. Здесь это вот что.

С помощью уникальной методики исследования латерального спин-волнового транспорта в ультратонких магнитных пленках с толщинами меньше одного нанометра методом мандельштам-бриллюэновской спектроскопии магнитных материалов удалось провести измерения управляемого спин-волнового транспорта. Разработка методов управления динамикой спиновых волн и скирмионов открывает возможность создания систем обработки информационного сигнала нового поколения. Исследования проводились в лаборатории магнитных метаматериалов Саратовского государственного университета под руководством члена-корреспондента Российской академии наук, профессора, доктора физико-математических наук Сергея Никитова и профессора, доктора физико-математических наук Юрия Шараевского.

Соавторы

В изготовлении ультратонких магнитных структур и проведении измерений движения скирмионов принимали участие сотрудники Школы физики и астрономии и Школы электроники и электротехники университета Лидса (School of Physics and Astronomy, School of Electronic and Electrical Engineering University of Leeds, UK), Национальной физической лаборатории в Тэддингтоне (National Physical Laboratory, Teddington, UK), физического факультета Оксфордского университета (Department of Physics, University of Oxford, UK), Научно-инновационного центра Харуэлл (Harwell Science and Innovation Campus, UK), института Пауля Шеррера (Paul Scherrer Institute, Switzerland), Института

Исследования поддержаны Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда, грант 18–79-00198, https://rscf. ru/contests/search-projects/18–79-00198/

Сверхпроводящие вихри без магнитных полей

Точка зрения

27 марта 2023 г. • Physics 16, 47

Квантовая фаза вещества, обнаруженная в сверхпроводнике на основе железа, может содержать нулевые майорановские моды — квазичастицы, которые могут служить строительными блоками для будущих квантовых компьютеров.

АПС/Алан Стоунбрейкер

Рисунок 1: Обычный сверхпроводник II типа (синий) может позволить внешнему магнитному полю (серые стрелки) проникать через несверхпроводящие области (черные диски). Эти области окружены сверхпроводящими токами (синие стрелки), образующими вихри Абрикосова. Сверхпроводник (желтый), содержащий изолированные магнитные примеси (магнитные моменты, указанные красными стрелками), может развивать состояния Ю-Шиба-Русинова (заштрихованные области). Лин и его коллеги показали, что сверхпроводник Fe(Se,Te) (зеленый) может образовывать квантовые аномальные вихри в отсутствие внешнего магнитного поля [1].

Эти структуры состоят из изолированных магнитных моментов Fe, граничащих со сверхпроводящими токами. Обычный сверхпроводник второго рода (синий) может позволить внешнему магнитному полю (серые стрелки) проникать через несверхпроводящие области (черные диски). Эти области окружены сверхпроводящими токами (синие стрелки), образующими Абрикосову в… Подробнее

АПС/Алан Стоунбрейкер

Рис. 1: Обычный сверхпроводник II рода (синий) позволяет внешнему магнитному полю (серые стрелки) проникать через несверхпроводящие области (черные диски). Эти области окружены сверхпроводящими токами (синие стрелки), образующими вихри Абрикосова. Сверхпроводник (желтый), содержащий изолированные магнитные примеси (магнитные моменты, указанные красными стрелками), может развивать состояния Ю-Шиба-Русинова (заштрихованные области). Лин и его коллеги показали, что сверхпроводник Fe(Se,Te) (зеленый) может образовывать квантовые аномальные вихри в отсутствие внешнего магнитного поля [1].

Эти структуры состоят из изолированных магнитных моментов Fe, окаймленных сверхпроводящими токами.

Создание квантового компьютера является сложной задачей, не в последнюю очередь из-за вычислительных ошибок, возникающих при взаимодействии квантовой системы с окружающей средой. В принципе, эту проблему ошибок можно смягчить с помощью отказоустойчивого подхода, называемого топологическими квантовыми вычислениями, который опирается на неабелевы анионы — экзотические квазичастицы, которые могут существовать только в двух измерениях. Однако для реализации материальной системы, которая может содержать такие квазичастицы, обычно требуется сильное магнитное поле, что затрудняет интеграцию устройств. Теперь Иши Линь из Университета Фудань в Китае и его коллеги обнаружили и воздействовали на структуры, называемые квантовыми аномальными вихрями (QAV), в сверхпроводнике на основе железа Fe(Se,Te) [1]. Примечательно, что эти структуры формируются в отсутствие магнитного поля и теоретически могут поддерживать неабелевы анионы, известные как нулевые майорановские моды [2].

Чтобы понять QAV, полезно рассмотреть обычное поведение сверхпроводника в магнитном поле. Известно, что поле будет вытесняться из внутренней части материала посредством явления, называемого эффектом Мейснера, если напряженность поля ниже критического значения. Сверхпроводник II типа сохраняет сверхпроводимость при более высоких напряженностях поля, чем это значение, направляя поле через несверхпроводящие области, известные как вихревые ядра. Эти области окружены циркулирующими сверхпроводящими токами, которые экранируют поле на ядрах, образуя так называемые абрикосовские вихри (рис. 1, вверху слева).

Вместо приложения магнитного поля к сверхпроводнику в сверхпроводник можно ввести изолированные магнитные примеси. Такие примеси нарушают симметрию материала с обращением во времени и локально подавляют силу взаимодействия электронных пар, отвечающую за сверхпроводимость, определяемую величиной ключевой величины, известной как параметр порядка. Результатом является набор локализованных состояний, называемых состояниями Ю-Шибы-Русинова (рис. 1, вверху справа). Энергии этих состояний лежат в сверхпроводящей щели — области энергий, запрещенных для одиночных электронов в сверхпроводнике. Эта картина видоизменяется при наличии спин-орбитальной связи, которая связывает магнитный момент каждой примеси с угловым моментом сверхпроводящих квазичастиц. В этом случае вокруг каждой примеси происходит квантованное изменение параметра порядка. Этот поворот образует QAV (рис. 1, внизу).

Самопроизвольное рождение КАВ в отсутствие внешнего магнитного поля имеет интересную аналогию. В 1980 г. физики наблюдали квантовый эффект Холла — квантование поперечной электропроводности двумерного электронного газа в сильном магнитном поле [3]. Давний вопрос заключался в том, может ли подобное явление существовать в отсутствие поля. В 2013 году ученые обнаружили такое явление, получившее название квантового аномального эффекта Холла [4].

Лин и его коллеги теперь непосредственно наблюдали QAV в Fe(Se,Te), сверхпроводнике, который имеет сильную спин-орбитальную связь и спин-поляризованные состояния, связанные с определенными атомами Fe, которые действуют как изолированные магнитные примеси. Команда охладила кристаллические чешуйки Fe(Se,Te) за счет их сверхпроводящего перехода, который происходит при температуре около 14 К. Затем исследователи использовали высокочувствительный инструмент, называемый сканирующим сверхпроводящим квантовым интерференционным устройством (sSQUID), чтобы определить и отобразить магнитный поток. выходя из хлопьев.

Команда обнаружила случайные паттерны вихрей в паре с антивихрями — структурами, которые отличаются от вихрей только ориентацией своих циркулирующих потоков. Эти картины были обнаружены при приложенном магнитном поле, более слабом, чем то, которое соответствует одиночному кванту потока, и даже в отсутствие такого поля. В этом режиме магнитного поля вихри не ожидаются.

В экспериментах Лина и его коллег катушка возбуждения микроскопа sSQUID генерировала слабое магнитное поле. Это поле производило синхронное гистерезисное переключение завихренности — ротора скорости потока, связанного с каждым вихрем и антивихрем. Такое поведение аналогично переключению намагниченности ферромагнетика. Кроме того, сверхпроводящий ток, индуцированный этим слабым полем, приводил во вращение силовые линии, пронизывающие пары примесных магнитных моментов. Этот эффект аналогичен индуцированному током крутящему моменту, наблюдаемому в ферромагнетиках со спин-орбитальной связью [5], и позволяет управлять этими вихрями.

Поверхностные состояния в Fe(Se,Te) имеют нетривиальную топологическую зонную структуру с сопутствующей сверхпроводимостью [6]. В этих условиях нулевые моды Майораны теоретически могут формироваться внутри вихревых корков QAV [7]. Кроме того, члены пары QAV-антивихрь имеют противоположные завихрения, так что они не отталкивают друг друга, в отличие от вихрей Абрикосова, наблюдаемых в обычных сверхпроводниках. Следовательно, можно было бы использовать QAV для обмена нулевыми модами Майораны в процессе, известном как плетение, что является ключевым требованием для топологических квантовых вычислений. Таким образом, потенциальным следующим шагом является получение доказательств нулевых мод Майораны в этих системах, а затем изучение условий, необходимых для манипулирования QAV, хотя и медленно для сохранения адиабатичности — еще одно важное требование для этого типа вычислений.

Ссылки

Ю. С. Лин и др. , «Прямое наблюдение квантового аномального вихря в Fe (Se, Te)», Phys. X 13 , 011046 (2023).
К. Наяк и др. , «Неабелевы анионы и топологические квантовые вычисления», Rev. Mod. физ. 80 , 1083 (2008 г.).
К. против Клитцинга и др. , «Новый метод высокоточного определения постоянной тонкой структуры на основе квантованного сопротивления Холла», Phys. Преподобный Летт. 45 , 494 (1980).
С.-З. Чанг и др. , «Экспериментальное наблюдение квантового аномального эффекта Холла в магнитном топологическом изоляторе», Science 340 , 167 (2013).
Мирон И.М. и др. , «Перпендикулярное переключение одиночного ферромагнитного слоя, вызванное подачей тока в плоскости», Nature 476 , 189 (2011).
П. Чжан и др. , «Наблюдение за топологической сверхпроводимостью на поверхности сверхпроводника на основе железа», Science 360 , 182 (2018).
К. Цзян и др. , «Квантовый аномальный вихрь и нулевая мода Майораны в сверхпроводнике на основе железа Fe(Te,Se)», Phys. Ред. X 9 , 011033 (2019 г.).

Об авторах

Ниладри Банерджи — старший преподаватель Лаборатории Блэкетта в Имперском колледже Лондона и член руководящего комитета исследовательской области «От атомов к устройствам» в Институте Генри Ройса. Его экспериментальные исследования сосредоточены на понимании и использовании новых возникающих электронных и магнитных фаз в низкоразмерных материалах для квантовых технологий. Его вклад включает первую демонстрацию управляемого джозефсоновского перехода, основанного на нетрадиционной триплетной сверхпроводимости.

Джейсон У. А. Робинсон занимает профессорскую кафедру физики материалов в Кембриджском университете, Великобритания, где он является совместным руководителем Департамента материаловедения и металлургии, директором группы квантовых материалов и устройств и содиректором Центра Физика материалов. Его экспериментальные исследования сосредоточены на разработке многофункциональных материалов и наноэлектронных устройств, подходя к ключевым проблемам в области спинтроники, сверхпроводимости и квантовых технологий. Его вклад в эти области включает новаторские исследования триплетных эффектов близости на границах раздела сверхпроводник-магнит и помощь в создании области сверхпроводящей спинтроники.

Читать PDF

Тематические области

Физика конденсированного состоянияКвантовая физикаСверхпроводимость

Статьи по теме

Физика конденсированного состояния

Оксиды палладия могут быть превосходными сверхпроводниками

60 2

9000

Расчеты показывают, что палладаты электронная конфигурация для высокотемпературной сверхпроводимости. Подробнее »

Физика конденсированного состояния

Новая карта в рукаве графена

18 апреля 2023

Графен демонстрирует магнитосопротивление, превосходящее магнитосопротивление всех известных материалов при комнатной температуре — поведение, которое может привести к созданию новых магнитных датчиков и помочь расшифровать физику странных металлов. Подробнее »

Магнетизм

Топологическая сверхпроводимость без сверхпроводников

13 апреля 2023 г.

Исследователи предлагают способ уменьшить требования к материалам, необходимые для создания топологических квантовых компьютеров. Подробнее »

Еще статьи

В железосодержащем материале обнаружены сверхмалые закрученные магнитные вихри

Сегодня микроэлектроника составляет основу многих современных технологий, включая смартфоны, ноутбуки и даже суперкомпьютеры. Он основан на способности разрешать и останавливать поток электронов через материал. Спиновая электроника, или спинтроника, является побочным продуктом. Он основан на вращении электронов и на том факте, что вращение электрона вместе с электрическим зарядом создает магнитное поле.

«Это свойство может быть использовано для строительных блоков в будущих хранилищах компьютерной памяти, мозгоподобных и других новых вычислительных системах и высокоэффективной микроэлектронике», — сказал Чарудатта Фатак, руководитель группы в отделе материаловедения Министерства энергетики США. (DOE) Аргоннская национальная лаборатория.

Группа исследователей из Аргонны и Национальной лаборатории сильного магнитного поля (MagLab) обнаружила удивительные свойства магнитного материала из железа, германия и теллура. Этот материал имеет форму тонкого листа толщиной всего от нескольких до 10 атомов. Он называется двумерным ферромагнетиком.

Команда обнаружила, что в этом сверхтонком материале могут сосуществовать два вида магнитных полей. Ученые называют их меронами и скирмионами. Они похожи на миниатюрные завихряющиеся штормовые системы, усеивающие плоский ландшафт ферромагнетика. Но они различаются по размеру и поведению.

«Это [магнитное] свойство может быть использовано для строительных блоков в будущих компьютерных хранилищах памяти, мозгоподобных и других новых вычислительных системах и высокоэффективной микроэлектронике». — Чарудатта Фатак, руководитель группы в Аргоннском отделе материаловедения

Известные и изучаемые в течение примерно 15 лет, скирмионы имеют размер около 100 нанометров — примерно такой же, как одна молекула вируса — и их магнитные поля текут по сложной схеме, напоминающей нити узла на веревке. Лишь недавно обнаруженные мероны имеют примерно одинаковый размер и обладают магнитными полями, которые закручиваются, как водовороты.

«И скирмионы, и мероны очень стабильны, потому что, подобно прочно завязанным узлам, их трудно распутать», — сказал Луис Баликас, который работает по совместительству в MagLab и Университете штата Флорида. «Эта стабильность наряду с их магнитными свойствами делает их привлекательными в качестве носителей информации».

Команда впервые наблюдала обе эти магнитные текстуры в тонкой пленке одновременно при низкой температуре, от минус 280 до минус 155 градусов по Фаренгейту. Кроме того, мероны сохранялись до комнатной температуры, что важно для их использования в практических устройствах. В прошлом они наблюдались только при гораздо более низких температурах в различных материалах.

Группа также показала, что скирмионы и мероны можно обнаружить по их влиянию на приложенный ток путем измерения напряжения. Эта функция означает, что они могут быть адаптированы к двоичному коду, используемому во всех цифровых компьютерах. Этот код состоит из комбинаций 1 и 0. В устройстве спинтроники 1 будет обозначаться электрическим сигналом, обнаруживающим скирмион или мерон. Тогда отсутствие электрического сигнала будет означать 0,

Обнаружение и характеристика различных магнитных текстур в пленке толщиной менее десяти атомов требовали специального научного инструмента. Физик из Аргонны Ю Ли возглавил эту сложную задачу, используя инструмент, называемый просвечивающим электронным микроскопом Лоренца (ПЭМ). В этом микроскопе используется технология коррекции аберраций для улучшения разрешения. Этот ПЭМ может визуализировать намагничивание материалов на наноуровне в различных магнитных полях в широком диапазоне температур, что является уникальной возможностью, доступной в Аргонне. Диапазон простирается от минус 280 градусов по Фаренгейту до комнатной температуры.

Команда выполнила дополнительные магнитные и другие изображения в Аргоннском центре наноразмерных материалов, пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики США.

«Необходимо гораздо больше фундаментальных исследований, чтобы полностью понять поведение скирмионов и меронов в различных условиях и то, как их использовать для кодирования информации», — сказал Баликас. «Существует множество, казалось бы, научно-фантастических схем. Мы не можем предсказать будущее, но вполне вероятно, что одно или несколько из них могут воплотиться в жизнь».

Это исследование было опубликовано в Advanced Materials. Среди авторов из Аргонны Юэ Ли, Аманда Петфорд-Лонг и Чарудатта Фатак. Участниками MagLab являются Брайан Касас, Алекс Мун, Ян Синь, Хуан Мэйси, Ын Санг Чой и Луис Баликас. Также свой вклад из Эдинбургского университета внесли Конор МакКевер и Элтон Сантос.

Финансирование этого проекта поступило от Министерства энергетики США, Национального научного фонда, Управления военно-морских исследований штата Флорида, Эдинбургского университета и Министерства науки Испании.

Об Аргоннском центре наноразмерных материалов
Центр наноразмерных материалов является одним из пяти научно-исследовательских центров Министерства энергетики США по наноразмерам, ведущих национальных пользовательских учреждений для междисциплинарных исследований в наномасштабе при поддержке Управления науки Министерства энергетики США. Вместе NSRC составляют набор дополнительных объектов, которые предоставляют исследователям самые современные возможности для изготовления, обработки, определения характеристик и моделирования наноразмерных материалов и представляют собой крупнейшие инвестиции в инфраструктуру Национальной инициативы по нанотехнологиям. Центры NSRC расположены в национальных лабораториях Министерства энергетики США в Аргонне, Брукхейвене, Лоуренсе Беркли, Ок-Ридже, Сандии и Лос-Аламосе. Для получения дополнительной информации о NSRC DOE, пожалуйста, посетите https://science.osti.gov/User-Facilit ies/User-Facilities-at-a- Гланс.

Аргоннская национальная лаборатория занимается поиском решений насущных национальных проблем в области науки и техники. Первая в стране национальная лаборатория, Аргонн, проводит передовые фундаментальные и прикладные научные исследования практически во всех научных дисциплинах.