Квазичастицы скирмионы могут стать базой для создания гораздо более емких запоминающих устройств, чем те, которые работают в современных компьютерах. Шаг к этому сделали ученые из Лаборатории Эймса в США, которые обнаружили неизвестное прежде свойство крошечных магнитных вихрей — оказалось, что они размножаются делением, как биологические клетки. Для физики элементарных частиц это поразительное открытие.

Скирмионы — магнитные вихри, разновидность квазичастиц, не имеющих реальной массы, но они формируют периодические паттерны, очень похожие на систематическое расположение атомов внутри кристаллической решетки.

Впервые скирмионы были обнаружены физиками в 2009 году. Выяснилось, что в некоторых магнитах при намагничивании возникают вихревые структуры из спинов, в которых спины отдельных атомов словно закручены в определенном направлении. Эти магнитные вихри получили название скирмионы, по имени британского физика Тони Скерма (1922–1987), который предложил в 1962 году математическую модель подобной структуры для элементарных частиц.

То есть более 40 лет скирмионы считались математической моделью. Но затем оказалось, что это вполне реальные объекты физического мира, которыми можно управлять и получать от этого управления определенные эффекты. Более того, на данный момент открыты уже как минимум три типа скирмионов.

«Для того чтобы интегрировать скирмионы в будущие устройства, наука должна точно понимать механизм их формирования, — сказал Чжоу Линь, один из авторов исследования, выявившего биологический принцип размножения скирмионов. — Мы напрямую доказали, что скирмионный кристалл растет из конической магнитной фазы таким же образом, как настоящий нанокристалл из раствора».

Однако, в отличие от реальных кристаллов, скирмионы могут аннигилировать дефекты в решетке путем деления, напоминающего деление клеток, «пишет»https://phys.org/news/2020–06-skyrmions-biological-cells.html Phys.org. Такой процесс ученые наблюдали впервые.

Они обнаружили наличие соперничающих между собой сил отталкивания и притяжения между скирмионами в конической фазе, которые управляют ростом скирмионной решетки. А также что механизм самостоятельного расщепления более предпочтителен с точки зрения расхода энергии, чем нуклеация и рост нового скирмиона внутри поврежденной решетки.

Это открытие, по словам Чжоу, позволит лучше контролировать и манипулировать скирмионами, которые могли бы лечь в основу новых энергоэффективных и емких устройств хранения информации.

Скирмионы обладают так называемой топологической устойчивостью. Она заключается в том, что возмущения могут изменить направления спинов, но не могут изменить закрученности. Благодаря топологической устойчивости скирмионы теоретически можно использовать для хранения двоичной информации, полагая за нуль и единицу существование или отсутствие скирмиона. Поскольку размеры таких вихрей могут составлять единицы нанометров, это сулит значительное возрастание плотности хранения информации. Скирмионы подошли бы и для создания логических устройств. Управлять скирмионами можно было бы с помощью электрического тока.