Введение
Тип топологических решений в нелинейных сигма-моделях в физике частиц. В теории частиц скирмион (/s/k/ɜr/m/i/.//ɒ/n/) — это топологически стабильная конфигурация поля определенного класса нелинейных сигма-моделей. Он был первоначально предложен Тони Скайрме в 1961 году как модель нуклона. Являясь топологическим солитоном в поле пиона, он обладает замечательным свойством моделировать с разумной точностью множество низкоэнергетических свойств нуклона, просто фиксируя радиус нуклона. С тех пор он нашел применение в физике твердого тела, а также имеет связь с некоторыми областями теории струн. Скирмионы как топологические объекты важны в физике твердого тела, особенно в развивающейся технологии спинтроники. Двумерный магнитный скирмион, как топологический объект, формируется, например, из 3D эффективного спина "ежа" (в области микромагнетизма: из так называемой сингулярности "точки Блоха" степени гомотопии +1) посредством стереографической проекции, при которой положительный спин северного полюса отображается на удаленный край окружности 2D диска, а отрицательный спин южного полюса — в центр диска. В спинорных полях, таких как фотонные или поляритонные жидкости, топология скирмиона соответствует полному пучку Пуанкаре (спиновому вихрю, включающему все состояния поляризации, отображенные стереографической проекцией сферы Пуанкаре на реальную плоскость). Динамический псевдоспиновый скирмион возникает в результате стереографической проекции вращающейся сферы Блоха для поляритонов в случае динамических полных пучков Блоха. Сообщалось (но не было окончательно доказано) о существовании скирмионов в конденсатах Бозе-Эйнштейна, тонких магнитных пленках, в хиральных нематических жидких кристаллах и в оптике свободного пространства. В качестве модели нуклона топологическая стабильность скирмиона может быть интерпретирована как утверждение о сохранении барионного числа, то есть о том, что протон не распадается. Лагранжиан Скайрма по сути представляет собой однопараметрическую модель нуклона. Фиксация параметра фиксирует радиус протона, а также все остальные низкоэнергетические свойства, которые, по-видимому, верны с точностью около 30%. Именно эта предсказательная сила модели делает ее столь привлекательной в качестве модели нуклона. Скирмионы с полостью в центре лежат в основе хиральной мешочной модели (модели Чеширского кота) нуклона. Точные результаты для двойственности между фермионным спектром и топологическим числом обмотки нелинейной сигма-модели были получены Дэном Фридом. Это можно интерпретировать как основу для двойственности между описанием нуклона в квантовой хромодинамике (QCD) (но состоящим только из кварков, без глюонов) и моделью Скайрма для нуклона. Скирмион можно квантовать, чтобы сформировать квантовую суперпозицию барионов и резонансных состояний. Его можно было бы предсказать на основе некоторых свойств ядерной материи.
the model in particle physics
In particle theory, the skyrmion ('/s//k//ɜr//m//i//.//ɒ//n/) is a topologically stable field configuration of a certain class of non linear sigma models. It was originally proposed as a model of the nucleon by (and named after) Tony Skyrme in 1961. As a topological soliton in the pion field, it has the remarkable property of being able to model, with reasonable accuracy, multiple low energy properties of the nucleon, simply by fixing the nucleon radius. It has since found application in solid state physics, as well as having ties to certain areas of string theory. Skyrmions as topological objects are important in solid state physics, especially in the emerging technology of spintronics. A two dimensional magnetic skyrmion, as a topological object, is formed, e. g., from a 3D effective spin "hedgehog" (in the field of micromagnetics: out of a so called "Bloch point" singularity of homotopy degree +1) by a stereographic projection, whereby the positive north pole spin is mapped onto a far off edge circle of a 2D disk, while the negative south pole spin is mapped onto the center of the disk. In a spinor field such as for example photonic or polariton fluids the skyrmion topology corresponds to a full Poincaré beam (a spin vortex comprising all the states of polarization mapped by a stereographic projection of the Poincaré sphere to the real plane). A dynamical pseudospin skyrmion results from the stereographic projection of a rotating polariton Bloch sphere in the case of dynamical full Bloch beams. Skyrmions have been reported, but not conclusively proven, to be in Bose–Einstein condensates, thin magnetic films and in chiral nematic liquid crystals and in free space optics. As a model of the nucleon, the topological stability of the skyrmion can be interpreted as a statement that the baryon number is conserved; i. e. that the proton does not decay. The Skyrme Lagrangian is essentially a one parameter model of the nucleon. Fixing the parameter fixes the proton radius, and also fixes all other low energy properties, which appear to be correct to about 30%. It is this predictive power of the model that makes it so appealing as a model of the nucleon. Hollowed out skyrmions form the basis for the chiral bag model (Cheshire Cat model) of the nucleon. The exact results for the duality between the fermion spectrum and the topological winding number of the non linear sigma model have been obtained by Dan Freed. This can be interpreted as a foundation for the duality between a quantum chromodynamics (QCD) description of the nucleon (but consisting only of quarks, and without gluons) and the Skyrme model for the nucleon. The skyrmion can be quantized to form a quantum superposition of baryons and resonance states. It could be predicted from some nuclear matter properties.
Магнитные материалы/хранение данных
Одной из форм скирмионов является магнитный скирмион, который обнаруживается в магнитных материалах, проявляющих спиральный магнетизм, обусловленный взаимодействием Дзялошинского — Мория, механизмом двойного обмена или конкурирующими взаимодействиями обмена Гейзенберга. Они образуют "домены" размером до 1 нм (например, в Fe на Ir(111)). Малый размер и низкое энергопотребление магнитных скирмионов делают их перспективными кандидатами для будущих решений в области хранения данных и других спинтронных устройств. Исследователи могут считывать и записывать скирмионы с помощью сканирующей туннельной микроскопии. Топологический заряд, отражающий наличие или отсутствие скирмиона, может представлять битовые состояния "1" и "0". Сообщалось об обнаружении скирмионов, существующих при комнатной температуре. Скирмионы функционируют при плотности тока, на несколько порядков меньшей, чем в традиционных магнитных устройствах. В 2015 году был представлен практический метод создания и доступа к магнитным скирмионам в условиях комнатной температуры. В устройстве использовались массивы намагниченных дисков из кобальта, формирующих искусственные решетки блоховских скирмионов на тонкой пленке кобальта и палладия. Асимметричные магнитные наночастицы с контролируемой круглостью были сформированы на подложке с перпендикулярной магнитной анизотропией (PMA). Полярность контролируется заданной последовательностью магнитных полей и подтверждается магнитометрическими измерениями. Вихревая структура внедряется в межфазную область подложки путем подавления PMA посредством критической стадии ионной бомбардировки. Решетки идентифицируются с помощью поляризованной нейтронной рефлектометрии и подтверждаются измерениями магнитосопротивления. Недавнее исследование (2019 года) продемонстрировало способ перемещения скирмионов исключительно с помощью электрического поля (без протекания электрического тока). Авторы использовали многослойные структуры Co/Ni с градиентом толщины и взаимодействием Дзялошинского — Мория и наблюдали скирмионы. Они показали, что величина смещения и скорость напрямую зависят от приложенного напряжения. В 2020 году группе исследователей из Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий (Empa) впервые удалось создать настраиваемую многослойную систему, в которой могут сосуществовать два различных типа скирмионов – будущие биты для представления "0" и "1" – при комнатной температуре.