Søg efter skyrmion fænomen finder endnu mærkeligere magnetisk perlehalskæde

Fysikere på jagt efter en sjældent set magnetisk spin-tekstur har opdaget et andet objekt, der bærer dets kendetegn, skjult i strukturen af ​​ultratynde magnetiske film, at de har kaldt en uforholdsmæssig spinkrystal.

Et team fra University of Warwick rapporterer resultaterne i tidsskriftet Naturkommunikation , som kunne give nye muligheder for teknologier som computerhukommelse og lagring.

Forskerne satte i første omgang ud for at finde en skyrmion, en hvirvlende magnetisk spin-tekstur, som teorien eksisterer i særlige magnetiske materialer, og som er af stor interesse for fysikere på grund af deres unikke egenskaber og potentiale for en ny generation af energieffektiv datalagring. For at finde dem, videnskabsmænd leder efter unormal adfærd af Hall-effekten; dette får elektroner, der bevæger sig gennem et ledende materiale, til at opføre sig anderledes, målt som resistivitet.

For at fremkalde denne effekt, teamet lavede prøver ved at kombinere en ekstremt tynd film af et ferroelektrisk materiale, bly titanat, med en anden tynd film af en ferromagnet, strontiumruthanat. Disse lag er atomisk flade, kun fem til seks enhedsceller (3 nanometer) tykke.

Det ferroelektriske lag inducerer et elektrisk felt, der forvrider ferromagnetens atomare struktur, bryder sin symmetri. Ved hjælp af atomisk præcision elektronmikroskopi, de målte denne symmetri bryde, og var også i stand til separat at måle materialets elektriske resistivitet og bekræftede tilstedeværelsen af ​​træk, der ligner den Topologiske Hall-effekt, som man kunne forvente for en skyrmion.

Derefter brugte forskerne magnetisk kraftmikroskopi til at undersøge topologien af ​​materialets atomare struktur, som dannede et gitter baseret på rektangler - ikke sekskanter, som de ville forvente. Inden for dette gitter er magnetiske domæner, hvor skyrmioner vil blive fundet som individuelle, isolerede partikler. I stedet, disse domæner dannede mere som perler på en snor eller halskæde, med perler, der aldrig helt danner en perfekt cirkel.

Hovedforfatter Sam Seddon, en ph.d. studerende ved University of Warwick Department of Physics, sagde:"Når du har foretaget en omhyggelig undersøgelse af billederne, du indser, rent faktisk, dette præsenterer slet ikke som en skyrmion.

"En skyrmion forårsager sin egen komplicerede Hall-effekt, og når lignende effekter observeres, bliver den ofte behandlet som en signatur af skyrmion. Vi har fundet en meget ordnet domænestruktur, ligesom et skyrmion gitter ville danne, dog er de simpelthen chirale og ikke topologisk beskyttede. Hvad dette viser med real-space billeddannelsesbeviser er, at du ikke behøver et topologisk domæne for at forårsage en Hall-effekt af denne art."

Ferroelektriske og ferromagnetiske materialer er vigtige for teknologier som computerhukommelse og lagring. For eksempel, materialer, der ligner blytitanat, bruges ofte til computerhukommelsen i de elektroniske systemer i biler, på grund af deres robusthed og evne til at fungere ved ekstreme temperaturer.

Medforfatter professor Marin Alexe fra University of Warwick sagde:"Der er interesse for disse typer grænseflader mellem ferroelektriske og ferromagnetiske materialer, såsom for nye typer computerhukommelse. Fordi ferroelektrisk polarisering kan skiftes permanent, dette ændrer en kvanteeffekt i en ferromagnet, og det kan måske give os retning for materialer til de næste kvantecomputere. Disse vil have brug for stabile materialer, der fungerer ved ekstreme temperaturer, er lavt strømforbrug, og kan gemme oplysninger i lang tid, så alle ingredienser er her.

"Topologi er oversættelsen af ​​visse matematiske begreber til det virkelige liv og er nu kernen i nye opdagelser inden for fysik. På University of Warwick har vi en ekstraordinær og avanceret infrastruktur, som giver os mulighed for at tackle et problem fra teoretisk synspunkt, at se på atomstruktur, lige til at undersøge funktionelle egenskaber ved ekstreme temperaturer og marker, især magnetiske felter. Vi er i stand til at tilbyde grundlag for ingeniører at udvikle nye teknologier fra."