Псевдочастицы, в отличие от атомов или молекул, нельзя извлечь из системы и изучить отдельно. Примером этого может служить, например, дырка в полупроводнике. Ее нельзя отделить (это место в кристалле, где нет электрона), но перемещение такого участка в толще материала очень похоже на перемещение реальной частицы. «Раскачка» той или иной колеблющейся квантовой системы тоже может рассматриваться как добавление псевдочастиц. Физики используют псевдочастицы, чтобы описать самые разные явления — от взаимодействия света с металлами до теплопроводности твердых тел и намагничивания материалов.
Магнитное поле в веществах складывается из магнитных полей отдельных атомов. Когда магнит приобретает свои притягивающие свойства, в нем возникают домены — целые группы атомов с одинаковыми магнитными моментами, или спинами. Материал в магнитном поле можно рассматривать как поле спинов. В этом поле могут появляться псевдочастицы различной природы.
Читайте также: Гейзенберг был прав. Физики снова подтвердили правильность квантовой механики
Строго говоря, спин — это не собственный магнитный момент, то есть он не может служить мерой того, какое магнитное поле создает частица. Но спин однозначно связан с магнитным моментом, а отождествлять его с вращением вокруг своей оси в случае с элементарной частицей некорректно.
Еще одним примером псевдочастиц служат скирмионы. Так физики называют упорядоченные структуры из атомов, спины которых ориентированы определенным образом. Если эти спины обозначить стрелками, получится воронка или шарик. Перемещение такого скирмиона в материале необязательно связано с перемещением атомов как таковых. Скирмионы, в отличие от магнитных доменов, могут быть намного меньше. При этом ими можно управлять за счет внешнего магнитного поля. Это открывает ряд возможностей для плотной записи информации.
В новой работе, опубликованной в журнале Nature Physics, ученые описали, как группа скирмионов может образовываться в тонкой металлической пленке и даже в слое из жидких кристаллов. Вместо магнитной воронки там формируется упорядоченная структура из кристаллов, направленных в разные стороны. Причем скирмионы наблюдались не поодиночке, а группами. Сами исследователи назвали обнаруженные структуры «мешками» скирмионов.
В случае с жидкими кристаллами физики смогли показать появление «мешков» наглядно, а в случае с металлической пленкой пока обошлись только компьютерным моделированием. Впрочем, последнее дает схожие результаты и в отношении жидких кристаллов, и в отношении магнитных структур, поскольку математически речь идет о практически одинаковых процессах.
Авторы исследования отмечают, что если «мешок со скирмионами» может быть стабильной структурой, которая возникает в магнитных системах и мягком веществе, то обнаружение таких «мешков» может помочь в сверхплотной записи информации. Они компактны (намного меньше магнитных доменов), устойчивы, и вдобавок данные можно кодировать не только наличием скирмиона, но и числом скирмионов в одном «мешке».
Алексей Тимошенко