In de klassieke mechanica, deeltjes worden weergegeven door puntmassa's of starre lichamen, en in veldtheorie door golfachtige excitaties of trillingen. Magnetische skyrmionen zijn klein, vortex-achtige spintexturen van topologische oorsprong gevonden in een verscheidenheid aan magnetische materialen, en gekenmerkt door een lange levensduur. Ze werden voor het eerst ontdekt in 2009. In chirale magneten, skyrmionen en skyrmion-kristallen (SkX) vertonen unieke fysische eigenschappen vanwege hun stabiliteit bij ultralage stroomdichtheid. Het verklaren van de stabiliteit van dergelijke deeltjes is niet triviaal; echter, de deeltjes kunnen worden beschreven als topologisch beschermd tegen kleine verstoringen en verval. Deze eigenschappen kunnen voordelig zijn voor mogelijke toepassingen van skyrmionen als informatiedragers in magnetische geheugens voor opslag en verwerking. Skyrmionen worden gevormd in magnetische systemen via verschillende mechanismen, waarvan sommige samenwerken.

De mechanismen omvatten de Dzyaloshinskii-Moriya-interactie (DMI), gefrustreerde uitwisselingsinteractie, magnetische dipolaire interacties op lange afstand en wisselwerkingen met vier spins, gekenmerkt door de diameter van de resulterende skyrmion-structuur. Bijvoorbeeld, chirale magneten met een antisymmetrische interactie tussen de spins, bekend als de DMI, kan een driehoekig-rooster skyrmion kristal (SkX) vormen. specifiek, een eindige DMI kan ontstaan ​​door gebroken inversiesymmetrie op grensvlakken van dunne filmlagen of in bulkmaterialen met chirale of polaire structuren.

In metalen systemen, het bestaan ​​van een chirale interactie werd voor het eerst aangetoond voor ongeordende legeringen. Skyrmionen op basis van DMI werden onlangs waargenomen in Co-Zn-Mn-legeringen met de β-Mn-type chirale kubische structuur, waarbij de eenheidscel 20 atomen bevat, verdeeld over twee ongelijkwaardige kristallografische locaties. Nu aan het schrijven wetenschappelijke vooruitgang , Kosuke Karube en collega's rapporteren het intermediaire samenstellingssysteem Co ₇ Zn ₇ Mn ₆ als een unieke gastheer van twee losgekoppelde, topologische skyrmion-fasen.

Volgens het rapport, één fase is een conventioneel skyrmion-kristal dat wordt gestabiliseerd door thermische fluctuaties en beperkt tot net onder de magnetische overgangstemperatuur (T .) _C ), terwijl de tweede fase een nieuwe driedimensionaal ongeordende skyrmion-kristalfase is die ruim onder T . stabiel is _C . De stabiliteit van deze nieuwe ongeordende skyrmion-fase werd toegeschreven aan een coöperatief samenspel tussen het chirale magnetisme met de DMI en het gefrustreerde magnetisme dat inherent is aan de β-Mn-structuur.

Skyrmionen kunnen typisch worden waargenomen door kleine hoek neuronverstrooiing (SANS) en met microscopietechnieken in de echte ruimte. In chirale magneten, het effect van DMI verdraait geleidelijk ferromagnetisch gekoppelde momenten om een ​​spiraalvormige grondtoestand te vormen. In de studie, de auteurs rapporteerden vergelijkbaar gedrag voor een spinglasfase die symptomatisch is voor gefrustreerd magnetisme dat bij lage temperaturen bestaat in een breed scala van Mn-samenstellingen voor Co-Zn-Mn-legeringen. De glasfase drong de spiraalvormige grondtoestand binnen om de typische metaal-isolatorovergang weer te geven, wat de microscopische co-existentie van de twee fasen aangeeft. Om de mechanistische invloed van gefrustreerde uitwisselingsinteracties op de spiraalvormige en topologische spinstructuren te onderzoeken, de auteurs concentreerden zich op Co ₇ Zn ₇ Mn ₆ met T _C ~ 160 K en spinglasovergangstemperatuur T _G ~ 30 K. In de studie, verdere metingen werden uitgevoerd van SANS, magnetisatie, wisselstroom (ac) magnetische veldgevoeligheid en Lorentz transmissie-elektronenmicroscopie (LTEM) van het materiaal.

De wetenschappers vatten hun bevindingen samen in een fasediagram om twee verschillende, evenwicht skyrmion fasen. Een conventionele SkX-fase iets onder T _C en een nieuwe ongeordende skyrmion-fase (DSK) fase nabij T _G .

In het veldafnameproces dat vervolgens werd waargenomen, de nieuwe fase werd geblust als een metastabiele toestand tot nulveldkoeling (ZFC). De bevindingen in de studie werden onderbouwd door de relatie tussen de magnetische structuren in de echte ruimte samen te vatten met de overeenkomstige SANS-patronen die in de studie werden geregistreerd.

Waarnemingen in de echte ruimte werden uitgevoerd met Lorentz transmissie-elektronenmicroscopie (LTEM) -metingen. In de veldverhogende run bij 135 K van nulveldkoeling (ZFC), de overgang van een spiraalvormige toestand (H) naar een conventionele SkX-toestand werd waargenomen. Bij 50 K, een wanordelijke spiraalvormige toestand werd waargenomen, en in tegenstelling tot een magnetisch veld van 0,2 T, verschillende gesloten, puntachtige objecten toegewezen aan skyrmions werden duidelijk waargenomen. De waarneming van DSK's in de LTEM-beelden werd uitgelegd als een inherent kenmerk van het materiaal, consistent met de overeenkomstige SANS-patronen die in het onderzoek werden waargenomen.

De studie onderzocht gezamenlijk de mogelijke oorsprong van de nieuwe DSK-fase, aangezien skyrmion-fasen over het algemeen worden gestabiliseerd door kwantumkritische of thermische fluctuaties. In de huidige studie werden twee soorten fluctuaties gevonden om de topologische fasestabiliteit in Co . te bevorderen ₇ Zn ₇ Mn ₆ , inclusief thermische schommelingen en door frustratie veroorzaakte schommelingen. Op deze manier, het skyrmion bestuurd door DMI demonstreerde een nieuw mechanisme voor topologische stabiliteit in Co ₇ Zn ₇ Mn ₆ .

© 2018 Fys.org