В теории частиц скирмион () - топологически устойчивая конфигурация поля определенного класса нелинейных сигма-моделей. Первоначально он был предложен в качестве модели нуклона Тони Скирмом в 1962 году. В качестве топологического солитона в pion В поле он обладает замечательным свойством моделировать с разумной точностью многочисленные низкоэнергетические свойства нуклона, просто фиксируя радиус нуклона. С тех пор он нашел применение в физике твердого тела, а также имеет связи с некоторыми областями теории струн.
Скирмионы, поскольку топологические объекты важны в физике твердого тела, особенно в новых технологиях спинтроники. Двумерный магнитный скирмион как топологический объект формируется, например, из трехмерного «ежа» эффективного спина (в области микромагнетизма : из так- называется «точкой Блоха » сингулярностью гомотопической степени +1) с помощью стереографической проекции, посредством которой положительное вращение северного полюса отображается на дальний краевой круг 2D-диска, в то время как отрицательный спин южного полюса отображается на центр диска. В спинорном поле, таком как, например, фотонная или поляритонная жидкость, топология скирмиона соответствует полному пучку Пуанкаре (то есть квантовому вихрю <Сообщалось, что 27>из спина, включающего все состояния поляризации ).
скирмионов, находятся в конденсатах Бозе-Эйнштейна,, сверхпроводниках, но не получили окончательного подтверждения., тонкие магнитные пленки и в киральных нематических жидких кристаллах.
В качестве модели нуклона топологическая стабильность скирмиона может быть интерпретирована как утверждение о том, что барионное число сохраняется ; т.е. протон не распадается. Лагранжиан Скирма - это, по сути, однопараметрическая модель нуклона. Установка параметра фиксирует радиус протона, а также фиксирует все другие низкоэнергетические свойства, которые, по-видимому, быть верным примерно с 30%. Именно эта предсказательная сила модели делает ее столь привлекательной в качестве модели нуклона.
Пустотелые скирмионы составляют основу модель хирального мешка (модель Чеширского кота) нуклона. Точные результаты для двойственности между спектром фермионов и топологическим числом витков нелинейной сигма-модели были получены Дэном Фридом. Это можно интерпретировать как основу двойственности между КХД-описанием нуклона (но состоящим только из кварков и без глюонов) и моделью Скирма для нуклона.
Скирмион можно квантовать для образования квантовой суперпозиции барионов и резонансных состояний. Это можно было предсказать по некоторым свойствам ядерной материи.
В теории поля скирмионы являются гомотопически нетривиальными классическими решениями нелинейной сигма-модели с нетривиальной мишенью топология многообразия - значит, они являются топологическими солитонами. Пример встречается в киральных моделях мезонов, где целевым многообразием является однородное пространство из структурной группы
где SU (N) L и SU (N) R - левая и правая киральные симметрии, а SU (N) diag - диагональная подгруппа. В ядерной физике для N = 2 под киральными симметриями понимается симметрия изоспина нуклона . При N = 3 симметрия изолюба между верхним, нижним и странным кварками более нарушена, а модели скирмионов менее успешны или точны.
Если пространство-время имеет топологию S × R, то классические конфигурации могут быть классифицированы по целому номеру обмотки, потому что третий гомотопическая группа
эквивалентно кольцу целых чисел со знаком сравнения, относящимся к гомеоморфизму.
. К киральному лагранжиану можно добавить топологический член, интеграл которого зависит только от гомотопический класс ; это приводит к секторам суперселекции в квантованной модели. В 1 + 1-мерном пространстве-времени скирмион может быть аппроксимирован солитоном из уравнения Синус-Гордона ; после квантования с помощью анзаца Бете или иным образом он превращается в фермион, взаимодействующий в соответствии с массивной моделью Тирринга.
Лагранжиан для скирмиона, записанный для исходного кирального SU (2) эффективного лагранжиана нуклон-нуклонного взаимодействия (в 3 + 1-мерном пространстве-времени), может быть записан как
где
и
и - это изоспин матрицы Паули, а - коммутатор скобки Ли, а tr - след матрицы. Мезонное поле (пионное поле с точностью до размерного фактора) в пространственно-временной координате задается как . Подробный обзор геометрической интерпретации представлен в статье о сигма-моделях.
. При таком написании явно является элементом группы Ли SU (2), и элемент алгебры Ли su (2). Пионное поле может быть понято абстрактно как секция касательного пучка основного пучка волокон SU (2) в пространстве-времени. Эта абстрактная интерпретация характерна для всех нелинейных сигма-моделей.
Первый член, - это просто необычный способ записи квадратичного члена нелинейной сигма-модели; он сводится к . При использовании в качестве модели нуклона записывается
с размерным фактором - постоянная распада пиона. (В измерениях 1 + 1 эта константа немерна и, таким образом, может быть включена в определение поля.)
Второй член устанавливает характерный размер солитонного решения с наименьшей энергией; он определяет эффективный радиус солитона. Как модель нуклона, он обычно корректируется так, чтобы дать правильный радиус протона; как только это будет сделано, другие низкоэнергетические свойства нуклона автоматически фиксируются с точностью около 30%. Именно этот результат связывания воедино того, что в противном случае было бы независимыми параметрами, и выполнения этого достаточно точного, делает модель нуклона Скирма такой привлекательной и интересной. Так, например, константа в четвертом члене интерпретируется как между ро-мезоном (ядерный векторный мезон ) и пионом; скирмион связывает значение этой постоянной с радиусом бариона.
Локальная плотность числа обмоток определяется как
где - это полностью антисимметричный символ Леви-Чивиты (эквивалентно звезда Ходжа в данном контексте).
Как физическая величина, это можно интерпретировать как барионный ток; он сохраняется: , и сохранение следует как ток Нётер для киральной симметрии.
Соответствующий заряд представляет собой барионное число:
Как сохраненный заряд, он не зависит от времени: , физическая интерпретация которого что протоны не распадаются.
В модели хирального мешка вырезают отверстие в центре и заполняют его кварками. Несмотря на эту очевидную «хакерскую уловку», полное барионное число сохраняется: недостающий заряд из отверстия точно компенсируется спектральной асимметрией вакуумных фермионов внутри мешка!
Одной из конкретных форм скирмионов является магнитные скирмионы, обнаруженные в магнитных материалах, которые проявляют спиральный магнетизм из-за взаимодействия Дзялошинского-Мория, двойного механизм обмена или конкурирующие обменные взаимодействия Гейзенберга. Они образуют «домены» размером всего 1 нм (например, в Fe на Ir (111)). Небольшой размер и низкое энергопотребление магнитных скирмионов делают их хорошим кандидатом для будущих решений для хранения данных и других устройств спинтроники. Исследователи могли читать и писать скирмионы с помощью сканирующей туннельной микроскопии. Топологический заряд, представляющий существование и несуществование скирмионов, может представлять битовые состояния «1» и «0». Сообщалось о скирмионах при комнатной температуре.
Скирмионы работают при плотностях тока, которые на несколько порядков меньше, чем обычные магнитные устройства. В 2015 году было объявлено о практическом способе создания и доступа к магнитным скирмионам в условиях комнатной температуры. В устройстве использовались массивы намагниченных кобальтовых дисков в качестве искусственных решеток скирмионов Блоха на тонкой пленке из кобальта и палладия. Асимметричные магнитные наноточки формировали узор контролируемой округлости на подслое с перпендикулярной магнитной анизотропией (PMA). Полярность контролируется настроенной последовательностью магнитного поля и демонстрируется при измерениях магнитометрии. Вихревая структура отпечатывается в межфазной области подслоя посредством подавления PMA с помощью критического этапа ионного облучения. Решетки идентифицированы с помощью поляризованной нейтронной рефлектометрии и подтверждены измерениями магнитосопротивления.
В недавней статье (2019) продемонстрирован способ перемещения скирмионов с помощью чисто электрического поле (при отсутствии электрического тока). Авторы использовали мультислои Co / Ni с наклоном толщины и взаимодействие Дзялошинского-Мориа и продемонстрировали скирмионы. Они показали, что смещение и скорость напрямую зависят от приложенного напряжения.