스커미온 문서 원본 보기

{{위키데이터 속성 추적}}
[[이론물리학]]에서 '''스커미온'''({{llang|en|skyrmion}})은 [[손지기 유효 이론]](chiral effective theory)에서 [[중입자]]를 설명하기 위해 고안된 수학적인 모형이다. 이는 [[솔리톤]]의 일종으로, 비선형 [[시그마 모형]]에서, [[호모토피]]에 따라 자명하지 않은 고전적 해이다. [[핵자]] 반지름을 고정시키기만 해도 핵자의 여러 가지 저에너지 속성을 괜찮은 정확도로 모델링할 수 있다. 지금은 [[고체물리학]]에서도 응용되고 있으며, 끈 이론의 한 영역과도 연결되어 있다. 보제-아인슈타인 응축, 초전도체, 자성 박막, 손지기 네마틱 액정 같은 데서도 스커미온을 발견할 수 있다는 결과가 발표되긴 했지만, 아직 확실하게 각각이 증명되지 않았다.

스커미온온 고체물리학, 그 중에서도 특히 [[스핀트로닉스]] 분야에서 위상학적으로 매우 중요하다. 예를 들어, 고슴도치(구에서 스핀 방향을 나타내는 화살표가 구의 중심에서 밖으로 뻗어가는 방향으로 균일하게 솟아나와 있는 모양을 상상하면 된다) 형태의 3차원 유효-스핀으로부터 2차원 자성 스커미온이라는 위상학적 객체를 만들 수 있다. 구형 고슴도치 형태로 배치된 스핀을 [[극사영]]하면 북극 방향의 양의 스핀은 2차원 원반에서 가장자리에 있는 원 위의 양의 스핀으로, 남극 방향의 음의 스핀은 원반 중심의 점에 있는 음의 스핀으로 사영되어 스커미온이 된다.

== 역사 ==
영국의 수학자인 [[토니 스컴]]({{llang|en|Tony Hilton Royle Skyrme}})이 고안하였다.<ref>{{저널 인용|doi=10.1016/0029-5582(62)90775-7|bibcode=1962NucPh..31..556S|저널=Nuclear Physics|권=31|쪽=556–569|날짜=1962-03|이름=T. H. R.|성=Skyrme|언어=en}}</ref>

== 전개 ==
과녁 공간이 다양체 <math>M</math>인 [[비선형 시그마 모형]]을 생각하자. 공간이 <math>\Sigma</math>일 경우, 상태들은 [[호모토피류]]들의 집합 <math>[\Sigma,M]</math>에 의해 분류된다.

공간이 <math>\Sigma=\mathbb R^d</math>인 경우, 장들이 무한대에서 0으로 가야 하므로 그 [[알렉산드로프 콤팩트화]]인 [[초구]] <math>S^d</math>를 생각한다. 이 경우 <math>[S^d;M]=\pi_d(M)</math>은 [[호모토피 군]]으로, [[군 (수학)|군]]의 구조를 가지게 된다. 공간이 이처럼 [[콤팩트 공간|콤팩트]]하지 않은 경우 이러한 해들의 [[에너지]]가 유한한지 고려해야 한다.

== 예 ==
[[손지기 유효 이론]]에서 기본 장은 <math>N\times N</math> [[특수 유니터리 행렬]]장인 [[중간자]] <math>U</math>이다. 이 경우 (쿼크 질량을 0으로 놓으면) 이론은 <math>SU(N)_L\times SU(N)_R</math> [[맛깔]] 대칭을 가지지만, 그 진공은 이를 그 대각군 <math>SU(N)_{\text{diag}}\subset SU(N)_L\times SU(N)_R</math>으로 [[자발 대칭 깨짐|깬다]]. 따라서, 가능한 진공 다양체(vacuum manifold)는 [[잉여류]]들의 [[동차공간]]
:<math>M=(SU(N)_L\times SU(N)_R)/SU(N)_{\text{diag}}\cong SU(N)</math>
이다. 이는 콤팩트 [[리 군]]이므로, 그 3차 [[호모토피 군]]은 정수군이다.
:<math>\pi_3(M)\cong\pi_3(SU(N))\cong\mathbb Z</math>
이러한 [[솔리톤]]들은 [[사인-고든 방정식]]의 솔리톤과 유사하며, 이는 [[티링 모형]]의 페르미온과 대응한다. 즉, 스커미온은 페르미온을 이룬다.

== 자성 물질/데이터 저장장치 ==
스커미온 중에는 [[지얄로신스키-모리야 상호작용]], 이중 교환 메커니즘<ref>{{저널 인용|last=Azhar|first=Maria|last2=Mostovoy|first2=Maxim|year=2017|title=Incommensurate Spiral Order from Double-Exchange Interactions|url=http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.027203|journal=Physical Review Letters|volume=118|issue=2|pages=|arxiv=1611.03689|doi=10.1103/PhysRevLett.118.027203|via=}}</ref>, 또는 서로 경쟁하는 하이젠베르크 교환 상호작용<ref>{{저널 인용|last=Leonov|first=A. O.|last2=Mostovoy|first2=M.|date=2015-09-23|title=Multiply periodic states and isolated skyrmions in an anisotropic frustrated magnet|url=http://www.nature.com/doifinder/10.1038/ncomms9275|journal=Nature Communications|language=en|volume=6|doi=10.1038/ncomms9275|issn=2041-1723| pmc=4667438 |pmid=26394924|page=8275}}</ref>으로 인해 생기는 나선형 자성을 가진 물질에서 발견되는 자성 스커미온이라는 것이 있다. 자성 스커미온은 그 영역의 크기가 작게는 1 nm(예: Ir(111) 표면의 철)<ref>{{저널 인용|doi=10.1038/NPHYS2045|title=Spontaneous atomic-scale magnetic skyrmion lattice in two dimensions|year=2011|last1=Heinze|first1=Stefan|last2= Von Bergmann|journal=Nature Physics|volume=7|pages=713–718|layurl=http://www.nature.com/nphys/journal/v7/n9/full/nphys2045.html|laydate=Jul 31, 2011|first2=Kirsten|last3=Menzel|first3=Matthias|last4=Brede|first4=Jens|last5=Kubetzka|first5=André|last6=Wiesendanger|first6=Roland|last7=Bihlmayer|first7=Gustav|last8=Blügel|first8=Stefan|issue=9|bibcode = 2011NatPh...7..713H }}</ref>에 달한다. 자성 스커미온은 크기도 작고 에너지도 적게 먹기 때문에 자성 저장기기를 비롯한 미래의 스핀트로닉 소자의 중요한 후보로 대두되고 있다.<ref name=Fert>{{저널 인용
 |author1=A. Fert |author2=V. Cros |author3=J. Sampaio  |last-author-amp=yes |year=2013
 |title=Skyrmions on the track
 |journal=Nature Nanotechnology
 |volume=8  |issue= |pages=152–156
 |bibcode= 2013NatNa...8..152F
 |doi=10.1038/nnano.2013.29
}}</ref><ref name=yanzhou2015NC>{{저널 인용
 |author=Y. Zhou, E. Iacocca, A.A. Awad, R.K. Dumas, F.C. Zhang, H.B. Braun and J. Akerman
 |year=2015
 |title=Dynamically stabilized magnetic skyrmions
 |journal=Nature Communications
 |volume=6 |issue= |pages=8193
 |bibcode= 2015NatCo...6E8193Z
 |doi=10.1038/ncomms9193
 |pmid=26351104
 |pmc=4579603
}}</ref><ref name=xichao1>{{저널 인용
 |author1=X.C. Zhang |author2=M. Ezawa |author3=Y. Zhou |year=2014
 |title=Magnetic skyrmion logic gates: conversion, duplication and merging of skyrmions
 |journal=Scientific Reports
 |volume=5 |issue= |pages= 9400
 |bibcode= 2015NatSR...5E9400Z
 |doi=10.1038/srep09400
|arxiv = 1410.3086 |pmid=25802991 |pmc=4371840}}</ref> 주사 터널링 현미경으로 스커미온을 쓰고 지울 수 있다는 연구결과도 발표된 바 있다.<ref>{{저널 인용|doi=10.1126/science.1240573|title=Writing and Deleting Single Magnetic Skyrmions|year=2013|last1=Romming|first1=N.|last2=Hanneken|first2=C.|last3=Menzel|first3=M.|last4=Bickel|first4=J. E.|last5=Wolter|first5=B.|last6=Von Bergmann|first6=K.|last7=Kubetzka|first7=A.|last8=Wiesendanger|first8=R.|journal=Science|volume=341|issue=6146|pages=636–9|pmid=23929977|layurl=http://phys.org/news/2013-08-skyrmions-electronics.html | laysource = phys.org | laydate = Aug 8, 2013 |bibcode = 2013Sci...341..636R }}</ref> 스커미온의 존재 여부를 나타내는 위상 전하로 "1"과 "0"의 상태를 표현할 수 있으며, 상온에서 안정적인 스커미온도 보고된 바 있다.<ref>{{저널 인용|title = Blowing magnetic skyrmion bubbles|url = http://www.sciencemag.org/content/349/6245/283|journal = Science|date = 2015-07-17|issn = 0036-8075|pmid = 26067256|pages = 283–286|volume = 349|issue = 6245|doi = 10.1126/science.aaa1442|first = Wanjun|last = Jiang|first2 = Pramey|last2 = Upadhyaya|first3 = Wei|last3 = Zhang|first4 = Guoqiang|last4 = Yu|first5 = M. Benjamin|last5 = Jungfleisch|first6 = Frank Y.|last6 = Fradin|first7 = John E.|last7 = Pearson|first8 = Yaroslav|last8 = Tserkovnyak|first9 = Kang L.|last9 = Wang|arxiv = 1502.08028 |bibcode = 2015Sci...349..283J }}</ref><ref>{{저널 인용|authors=D.A. Gilbert, B.B. Maranville, A.L. Balk, B.J. Kirby, P. Fischer, D.T. Pierce, J. Unguris, J.A. Borchers, K. Liu |title=Realization of ground state artificial skyrmion lattices at room temperature |journal=[[Nature Communications]] |volume=6|page=8462|doi=10.1038/ncomms9462 |date=8 October 2015 |layurl=https://www.nist.gov/ncnr/20151008skyrmions.cfm |laysource=[[NIST]] |bibcode = 2015NatCo...6E8462G |pmid=26446515 |pmc=4633628}}</ref>

== 참고 문헌 ==
{{위키공용분류}}
* {{저널 인용|arxiv=hep-ph/0202250|이름=Stephen|성=Wong|제목=What exactly is a Skyrmion?}}
* {{저널 인용|doi=10.1038/465846a|저널=[[네이처|Nature]]|제목=Skyrmion makeover|권=465|쪽=846|날짜=2010-06-17}}

{{각주}}
{{전거 통제}}


[[분류:입자물리학]]
[[분류:양자색역학]]