Overeenkomende deeltjes en antideeltjes zijn kleine eenheden van materie met dezelfde massa maar tegengestelde elektrische ladingen. Meestal hebben deze eenheden van materie met tegengestelde elektrische lading de neiging om elkaar te vernietigen.

Studies hebben voorspeld dat hetzelfde gedrag ook zou moeten worden waargenomen in magnetische solitonen met tegengestelde topologische ladingen. Magnetische solitonen, of solitaire golven, zijn gelokaliseerde spintexturen die hun vorm behouden terwijl ze zich met een constante snelheid voortplanten en kunnen worden onderscheiden door hun topologische lading Q.

Op basis van theoretische voorspellingen zouden magnetische solitonen met tegengestelde Q-waarden continu moeten samensmelten en zichzelf vernietigen. Dit omvat skyrmionen en antiskyrmionen, wervelende topologische magnetische texturen die worden gerealiseerd als opkomende deeltjes in magneten.

Onderzoekers van Forschungszentrum Jülich en JARA in Duitsland hebben in samenwerking met KTH Stockholm en de Universiteit van Uppsala in Zweden onlangs een van de eerste experimenten uitgevoerd om deze voorspellingen te testen. Hun paper, gepubliceerd in Nature Physics , demonstreert de creatie en vernietiging van skyrmion-antiskyrmion-paren in een kubische chirale magneet.

"De afgelopen jaren hebben we magnetische solitonen in chirale magneten intensief bestudeerd met als doel hun deeltjesachtige eigenschappen te onthullen," vertelde Nikolai Kiselev, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. "Het meest bekende type soliton in deze materialen is een magnetisch chiraal skyrmion. We hebben uitgebreide ervaring opgebouwd in de studie van een bepaalde legering van FeGe, wat een representatief voorbeeld is van een rijke familie van chirale magneten met een B20-type kristalstructuur."

Aanvankelijk gingen Kiselev en zijn collega's op zoek naar skyrmion-zakken - exotische magnetische solitonen met een willekeurige topologische lading, die in eerder theoretisch werk waren voorspeld. Voor dit experiment maakten de onderzoekers een ultradunne film van de kubische chirale magneet FeGe.

Tijdens het uitvoeren van hun experimenten onthulden de onderzoekers echter andere interessante verschijnselen, waarvan ze uiteindelijk vonden dat ze verband hielden met skyrmion-antideeltjes. In hun nieuwe onderzoek gebruikten ze een techniek die bekend staat als transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), de meest gevestigde techniek voor in-situ observatie en beeldvorming van magnetische texturen in monsters met een dikte tot enkele honderden nanometers.

"De invallende elektronenstraal die door het monster gaat, interageert met het magnetische veld dat het gevolg is van lokale variaties in magnetisatie in het monster, waardoor magnetisch contrast kan worden geregistreerd met een ruimtelijke resolutie van nanometer", legt Kiselev uit. "Het duidelijke magnetische contrast van skyrmionen en antiskyrmionen stelde ons in staat om deze deeltjes te onderscheiden, evenals het proces van hun creatie en vernietiging."

Zoals onderzoekers uitleggen, was een van de belangrijkste ingrediënten achter succesvolle observatie van antiskyrmionen het gebruik van een uitzonderlijk dunne en hoogwaardige FeGe-plaat (d.w.z. 1 m x 1 m vierkante plaat van slechts 70 nm dik). Dit monster was gemaakt met behulp van een techniek die bekend staat als frezen met gefocusseerde ionenbundels.

De vorm van het monster is belangrijk en bevordert de vorming van "gesloten" domeinwanden aan de randen van het monster. Dit laatste is een voorwaarde voor de nucleatie van antiskyrmionen onder toepassing op het monster van een extern magnetisch veld.

"Voorafgaand aan ons werk werd algemeen aangenomen dat skyrmionen en antiskyrmionen niet naast elkaar konden bestaan ​​in kubische chirale magneten," zei Kiselev. "Ons theoretische en experimentele werk bewijst echter dat het inderdaad mogelijk is. De mogelijkheid dat skyrmionen en antiskyrmionen naast elkaar kunnen bestaan ​​over een breed scala van temperaturen en toegepaste magnetische velden werd over het hoofd gezien in eerdere theoretische studies, waaronder die van ons."

De bevindingen die door dit team van onderzoekers zijn verzameld, zouden kunnen inspireren tot meer studies van magnetische solitonen met verschillende topologische ladingen en symmetrie die voorheen niet bekend waren. In de toekomst kan een dergelijke diversiteit aan deeltjesachtige toestanden de weg vrijmaken voor nieuwe strategieën om magnetische solitonen in spintronische apparaten te gebruiken.

Om deze strategieën te verkennen, zullen de onderzoekers echter eerst systematische studies moeten uitvoeren naar de fysische eigenschappen van magnetische solitonen en nieuwe materialen moeten vinden of synthetiseren waarin magnetische solitonen aanwezig zijn bij omgevingscondities.

"Ons werk suggereert het bestaan ​​van een grote diversiteit aan solitonen die tot nu toe niet experimenteel zijn waargenomen", voegde Kiselev eraan toe. "We zijn nu van plan een betrouwbaar protocol te vinden om experimentele observaties te verzamelen van exotische solitonen zoals skyrmion-zakken en andere driedimensionale solitonen die bekend staan ​​als hopfions. Voorlopige studies tonen aan dat de observatie van dergelijke exotische solitonen mogelijk moet zijn in FeGe en andere materialen van deze klasse." + Verder verkennen

Nieuwe exotische magnetische quasideeltjes 'skyrmion-bundel' voegt zich bij topologische dierentuin

© 2022 Science X Network