Физики из МФТИ предложили оптическую модель, которая поможет разобраться, как взаимодействие отдельных магнитных элементов определяет поведение всей системы.
Для этого исследователям нужно создавать нарушения магнитного порядка в выбранных местах и управлять их движением. Во многих моделях на микромагнитах эти процессы идут медленно, а возможности управления ограничены.
© ИИ-генерация Midjourney 8.1
Расчеты показали, что в предложенной системе создавать и перемещать такие нарушения можно с помощью лазера, а следить за ними — детектируя излучаемый свет. Работа опубликована в журнале APS Open Science.
В основе работы — модель под названием «спиновый лед». Это магнитная система, которую можно представить как решетку из стрелок. В каждом узле две направлены внутрь, а две — наружу. Правило допускает много вариантов: порядок в отдельных узлах есть, но единственного рисунка для всей решетки нет. Название отсылает к водяному льду, состоящему из молекул воды, имеющему определенную пространственную ориентацию.
Нарушение правила создает дефект. Например, в узле могут оказаться три стрелки, направленные внутрь, и только одна — наружу. Узел с таким дисбалансом ведет себя как условный магнитный заряд. Если большинство стрелок смотрит наружу, знак заряда меняется на противоположный. Эти коллективные нарушения порядка физики называют возникающими магнитными монополями.
В модели, которую изучали исследователи из МФТИ, роль микромагнитов выполняют звенья с поляритонами — гибридными возбуждениями света и вещества. Каждое звено соединяет два узла квадратной решетки. Два противоположных состояния круговой поляризации поляритонов соответствуют двум направлениям условной стрелки. Чтобы «перевернуть» ее, исследователи предлагают переключать поляризацию лазерного света на этом звене.
Схема поляритонного спинового льда. Красные и голубые звенья соответствуют противоположным круговым поляризациям; серые узлы связывают четыре соседних звена. Стрелки показывают ориентацию связей относительно узла / © APS Open Science
Важная особенность схемы — порядок в решетке поддерживается за счет потерь поляритонов. Лазерное освещение постоянно восполняет их убыль, а узлы устроены так, что при нарушении баланса поляритоны исчезают быстрее. При соблюдении правила «два внутрь — два наружу» потери минимальны. Расчеты подтвердили: даже при одинаковом освещении в таком состоянии сохраняется больше поляритонов, чем в состояниях с дефектами.
Чтобы проверить управление дефектами, физики смоделировали три узла, расположенных в ряд. Переключение поляризации на звене между первым и вторым узлами нарушило баланс в обоих: появились условные заряды противоположных знаков. Третий узел остался нейтральным.
Затем ученые переключили поляризацию на следующем звене — между вторым и третьим узлами. Во втором баланс восстановился, а в третьем возник дефект. Так, один из двух зарядов переместился на шаг по решетке. Два управляющих переключения в расчете разделяли 100 пикосекунд — одна десятимиллиардная доля секунды.
Создание и перенос пары дефектов. Сверху показаны исходное состояние решетки и изменения после переключения поляризации накачки на 50-й и 150-й пикосекундах. Снизу — изменения условных зарядов узлов (b), поляризаций звеньев © и влияние потерь в узлах на конечные значения зарядов (d) / © APS Open Science
Между двумя противоположными зарядами остается цепочка звеньев с перевернутой поляризацией — струна Дирака. Это след последовательных переключений в решетке. В идеализированной модели удлинение этой цепочки не увеличивает общий «штраф» за нарушение правила льда: промежуточные узлы снова становятся нейтральными, а заряды остаются только на концах. В реальном устройстве поляризация может отличаться от идеальной. Тогда удлинение цепочки может немного увеличивать этот «штраф» — такой эффект соответствует слабому натяжению струны.
Пока ученые проверили схему только теоретически и на компьютере, на небольшом фрагменте решетки. В перспективе она может стать оптическим симулятором — управляемой моделью для изучения движения дефектов и коллективного поведения систем, которые постоянно получают и теряют энергию. Определять положение условных зарядов и следить за их перемещением предлагается по поляризации света, выходящего из решетки.
Алексей Кавокин, директор Международного центра теоретической физики им. А. А. Абрикосова МФТИ, рассказал о значимости исследования:
«Поскольку поляризацию экситонных поляритонов на каждом звене можно измерить напрямую, локальные заряды в узлах и их динамику можно детектировать экспериментально. Это дает прямой оптический способ исследовать рождение, распространение и взаимное уничтожение монополей в решетке с накачкой и потерями».
В публикации также указаны Университет Вестлейк, Санкт-Петербургский государственный университет и Российский квантовый центр, которые представлял Алексей Кавокин.