Физики впервые получили трехмерные скирмионы

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

N+1

Похожие новости:
В ЦЕРНе получили светящуюся антиматерию
Физики из ЦЕРНа впервые наблюдали светящуюся антиматерию — переход атома антиводорода из основного энергетического состояния в возбужденное, сопровождающийся поглощением фотона. Посвященное этому исследование опубликовано в журнале Nature.Эксперимент ученых был организован следующим образом. В цилиндрическую вакуумную камеру высотой ..
2016-12-21 4100 0 Наука и образование
0
Голливуд назвали стимулом роста популярности физики среди молодежи
Число студентов-физиков в британских вузах за последние четыре года выросло почти в полтора раза, сообщает The Independent. По мнению ученых, популярность физики связана с фильмами (вроде «Интерстеллара» или «Гравитации»), а также широким освещением в СМИ таких проектов, как Большой адронный коллайдер ..
2015-04-01 810 0 Наука и образование
1
Астрофизики из России стали лауреатами премии Кавли
Президент Норвежской академии наук объявил лауреатов премии Кавли за 2014 год. В области астрофизики среди них два русскоязычных физика-теоретика: Андрей Линде и Алексей Старобинский. На сайте премии сообщается, что она вручена за «новаторскую теорию космической инфляции». Идея об ускоренном расширении Вселенной ..
2014-05-30 984 0 Наука и образование
0
Что изобрели российские ученые после развала СССР?
Постсоветская эпоха считается не лучшим временем в российской науке, но определенные достижения есть. Предлагаем вашему вниманию десять самых важных открытий российских ученых за последние двадцать лет. Современные российские ученые, среди прочего, открыли новые химические элементы ..
2014-02-14 2409 0 Наука и образование
0
Искусственный интеллект впервые смог заменить физиков
Впервые физики позволили искусственному интеллекту провести вместо них эксперимент по созданию конденсата Бозе-Эйнштейна — сгустка частиц, охлажденного до сверхнизких температур с помощью лазерных пучков. Робот сумел превзойти ученых, что, как надеются исследователи, поможет проводить более точные ..
2016-05-16 695 0 Наука и образование
0
Германия запустила термоядерный реактор с водородной плазмой
Институт физики плазмы Общества имени Макса Планка в немецком городе Грайфсвальд 3 февраля запустил термоядерный реактор Wendelstein 7-X с водородной плазмой. Прямая трансляция мероприятия была организована на сервисе Livestream. Пуск реактора Wendelstein 7-X с водородной плазмой состоялся в 17:25 ..
2016-02-04 1020 0 Наука и образование
0
В Москве пройдет научный фестиваль «День физики»
28 и 29 ноября 2015 года в культурном центре «ЗИЛ» пройдет последний в этом году научный фестиваль «Умной Москвы». Мероприятие будет посвящено физике. Об этом сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию «Ленты.ру».Основой программы для детей станут мастер-классы. Их продолжительность — 45-50 ..
2015-11-26 6295 0 Наука и образование
0
Физики продемонстрировали квантовый сюрреализм
Физики из Торонтского университета в Канаде продемонстрировали то, что критики их предыдущих работ назвали квантовым сюрреализмом. Проведенный учеными эксперимент подтверждает интерпретацию квантовой механики, предположенную физиками Луи Де Бройлем и Дэвидом Бомом. Исследование опубликовано в журнале Science Advances, а кратко о нем сообщает ..
2016-02-20 1074 0 Наука и образование
0
Американский физик разгадал парадокс кота Шрёдингера
В 1935 году великий физик, нобелевский лауреат и основоположник квантовой механики Эрвин Шрёдингер сформулировал свой знаменитый парадокс. Учёный предположил, что если взять некого кота и поместить его в стальную непрозрачную коробку с "адской машиной", то через час он будет жив и мёртв одновременно. ..
2013-08-29 1330 0 Наука и образование
0
В ЦЕРНе построят новый суперколлайдер
В четверг физики ЦЕРНа объявили о планах строить новый кольцевой суперколлайдер, который, как они считают, сможет стать достойным преемником Большого адронного коллайдера LHC.  Это, конечно, не значит, что 27-километровый БАК устарел. После обнаружения частицы, которая, скорее всего, ..
2014-02-07 1009 0 Наука и образование
0
Японий станет 113-м элементом таблицы Менделеева
Новый 113-й химический элемент таблицы Дмитрия Менделеева получит название японий. За название нового элемента в настоящее время борются коллективы ученых из России, США и Японии. Об этом сообщает информационное агентство Sputnik.За авторство открытия 113-го химического элемента ..
2015-12-27 1028 0 Наука и образование
0
Физики смоделировали образование нуклонных кластеров при слиянии тяжелых ионов
Физики с помощью численного моделирования показали, какие нуклонные кластеры образуются в первые моменты после слияния тяжелых ядер. В частности, слияние ядер кислорода-16 приводит к возникновению промежуточного осциллирующей системы, которая может испускать альфа-частицы, сообщают ученые в статье в Physical ..
2017-12-18 2919 0 Наука и образование
0
Создана трехмерная карта ДНК
Ученые из Кембриджского университета создали трехмерную карту генома млекопитающих в отдельной клетке. Она показывает, как вся ДНК клетки мыши свернута внутри клеточного ядра. Статья с результатами работы опубликована в журнале Nature. Известно, что хромосомы и отдельные участки ДНК взаимодействуют друг с другом через ..
2017-03-18 4707 0 Наука и образование
0
Теорему о свободе воли проверили экспериментально
Физики из Китая и Испании впервые провели опытную проверку теоремы о свободе воли, которая утверждает, что экспериментатор свободен в выборе того, какое наблюдение осуществить. Теорема о свободе воли базируется (согласно авторам исследования) на трех аксиомах: (а) существует максимальная ..
2016-04-11 887 0 Наука и образование
0
Физики анонсировали создание «микроба Шредингера»
Американские физики объявили о своем плане поместить живой организм в два состояния одновременно — чтобы продемонстрировать применимость квантовой механики к биологии. Опыт анонсирован в журнале препринтов arXiv, а коротко о нем сообщает The Guardian. Ученые хотят поместить обычный микроб в состояние неопределенности, ..
2015-09-19 806 0 Наука и образование
0