Uordnet skyrmionfase stabiliseret af magnetisk frustration i en chiral magnet

I klassisk mekanik, partikler er repræsenteret ved punktmasser eller stive legemer, og i feltteori ved bølgelignende excitationer eller vibrationer. Magnetiske skyrmioner er små, hvirvellignende spin-teksturer af topologisk oprindelse fundet i en række magnetiske materialer, og præget af lang levetid. De blev først opdaget i 2009. I chirale magneter, skyrmioner og skyrmionkrystaller (SkX) viser unikke fysiske egenskaber på grund af deres stabilitet ved ultralav strømtæthed. At forklare stabiliteten af ​​sådanne partikler er ikke-trivielt; imidlertid, partiklerne kan beskrives som topologisk beskyttet mod små forstyrrelser og henfald. Disse egenskaber kan være fordelagtige til potentielle anvendelser af skyrmioner som informationsbærere i magnetiske hukommelser til lagring og behandling. Skyrmioner dannes i magnetiske systemer via en række forskellige mekanismer, hvoraf nogle arbejder sammen.

Mekanismerne omfatter Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen (DMI), frustreret udvekslingsinteraktion, langtrækkende magnetiske dipolære interaktioner og fire-spin udvekslingsinteraktioner, kendetegnet ved diameteren af ​​den resulterende skyrmionstruktur. For eksempel, chirale magneter med en antisymmetrisk interaktion mellem spins, kendt som DMI, kan danne en trekantet-gitter skyrmion krystal (SkX). Specifikt, en endelig DMI kan opstå på grund af brudt inversionssymmetri ved grænseflader af tynde filmlag eller i bulkmaterialer med chirale eller polære strukturer.

I metalsystemer, eksistensen af ​​en chiral interaktion blev først påvist for uordnede legeringer. Skyrmioner baseret på DMI blev for nylig observeret i Co-Zn-Mn-legeringer med den chirale kubiske struktur af β-Mn-typen, hvor enhedscellen indeholder 20 atomer fordelt på to uækvivalente krystallografiske steder. Skriver nu ind Videnskabens fremskridt , Kosuke Karube og kolleger rapporterer om det mellemliggende sammensætningssystem Co ₇ Zn ₇ Mn ₆ som en unik vært af to afbrudte, topologiske skyrmion faser.

Ifølge rapporten, en fase er en konventionel skyrmion krystal stabiliseret af termiske udsving og begrænset til at eksistere lige under den magnetiske overgangstemperatur (T _c ), hvorimod den anden fase er en ny tredimensionelt forstyrret skyrmion krystalfase, der er stabil et godt stykke under T _c . Stabiliteten af ​​denne nye uordnede skyrmionfase blev tilskrevet et samspil mellem den chirale magnetisme med DMI og den frustrerede magnetisme, der er forbundet med β-Mn-strukturen.

Skyrmioner kan typisk observeres ved small angle neuron scattering (SANS) og med mikroskopiteknikker i det virkelige rum. I chirale magneter, effekten af ​​DMI vrider gradvist ferromagnetisk koblede momenter for at danne en spiralformet grundtilstand. I undersøgelsen, forfatterne rapporterede lignende adfærd for en spinglasfase, symptomatisk for frustreret magnetisme, der eksisterer ved lave temperaturer på tværs af en bred vifte af Mn-sammensætninger til Co-Zn-Mn-legeringer. Glasfasen invaderede den spiralformede grundtilstand for at vise typisk metal-isolator-overgang, hvilket indikerer den mikroskopiske sameksistens af de to faser. For at undersøge den mekanistiske indflydelse af frustrerede udvekslingsinteraktioner på de spiralformede og topologiske spinstrukturer, forfatterne fokuserede på Co ₇ Zn ₇ Mn ₆ med T _c ~ 160 K og spin glasovergangstemperatur T _g ~ 30 K. I undersøgelsen, yderligere målinger blev udført af SANS, magnetisering, vekselstrøm (ac) magnetfeltfølsomhed og Lorentz transmissionselektronmikroskopi (LTEM) af materialet.

Forskerne opsummerede deres resultater i et fasediagram for at vise to forskellige, ligevægt skyrmion faser. En konventionel SkX-fase lidt under T _c og en ny uordnet skyrmionfase (DSK) fase nær T _g .

I den markaftagende proces, der efterfølgende blev observeret, den nye fase blev quenchet som en metastabil tilstand ned til nulfeltkøling (ZFC). Resultaterne i undersøgelsen blev underbygget ved at opsummere forholdet mellem de magnetiske strukturer i det virkelige rum med de tilsvarende SANS-mønstre registreret i undersøgelsen.

Real-space observationer blev udført med Lorentz transmissionselektronmikroskopi (LTEM) målinger. I den feltforøgende kørsel ved 135 K fra nulfeltkøling (ZFC), overgangen fra en spiralformet tilstand (H) til en konventionel SkX-tilstand blev observeret. Ved 50 K, der blev observeret en forstyrret spiralform, og i modsætning hertil ved et magnetfelt på 0,2 T, flere lukkede, priklignende objekter tildelt skyrmioner blev tydeligt observeret. Observationen af ​​DSK'er i LTEM-billederne blev forklaret som et iboende træk ved materialet, i overensstemmelse med de tilsvarende SANS-mønstre observeret i undersøgelsen.

Undersøgelsen undersøgte i fællesskab den mulige oprindelse af den nye DSK-fase, da skyrmionfaser generelt stabiliseres af kvantekritiske eller termiske fluktuationer. To typer fluktuationer blev fundet i denne undersøgelse for at fremme topologisk fasestabilitet i Co ₇ Zn ₇ Mn ₆ , herunder termiske udsving og frustration-inducerede udsving. På denne måde skyrmion styret af DMI demonstrerede en ny mekanisme for topologisk stabilitet i Co ₇ Zn ₇ Mn ₆ .

© 2018 Phys.org