Undersøgelse viser, at skyrmioner og antiskyrmioner kan eksistere side om side ved forskellige temperaturer

Matchende partikler og antipartikler er små stofenheder, der har samme masse, men modsatte elektriske ladninger. Typisk har disse stofenheder med modsat elektrisk ladning en tendens til at tilintetgøre hinanden.

Undersøgelser har forudsagt, at den samme adfærd også bør observeres i magnetiske solitoner med modsatrettede topologiske ladninger. Magnetiske solitoner, eller solitære bølger, er lokaliserede spin-teksturer, der bevarer deres form, mens de forplanter sig med en konstant hastighed og kan skelnes ved deres topologiske ladning Q.

Baseret på teoretiske forudsigelser bør magnetiske solitoner med modsatte Q-værdier kontinuerligt smelte sammen og udslette sig selv. Dette inkluderer skyrmioner og antiskyrmioner, hvirvlende topologiske magnetiske teksturer, der realiseres som emergent partikler i magneter.

Forskere ved Forschungszentrum Jülich og JARA i Tyskland i samarbejde med KTH Stockholm og Uppsala Universitet i Sverige har for nylig udført et af de første eksperimenter med det formål at teste disse forudsigelser. Deres papir, udgivet i Nature Physics , demonstrerer skabelsen og udslettelse af skyrmion-antiskyrmion-par i en kubisk chiral magnet.

"I løbet af de sidste par år har vi intensivt studeret magnetiske solitoner i chirale magneter med det formål at afsløre deres partikellignende egenskaber," siger Nikolai Kiselev, en af ​​forskerne, der har udført undersøgelsen, til Phys.org. "Den mest kendte type soliton i disse materialer er en magnetisk chiral skyrmion. Vi har oparbejdet stor erfaring i undersøgelsen af ​​en bestemt legering af FeGe, som er et repræsentativt eksempel på en rig familie af chirale magneter med en B20-type krystalstruktur."

I første omgang satte Kiselev og hans kolleger sig for at observere skyrmionposer - eksotiske magnetiske solitoner med en vilkårlig topologisk ladning, som er blevet forudsagt i tidligere teoretisk arbejde. Til dette eksperiment fremstillede forskerne en ultratynd film af den kubiske chirale magnet FeGe.

Mens de udførte deres eksperimenter, afslørede forskerne imidlertid andre interessante fænomener, som de i sidste ende fandt at være forbundet med skyrmion-antipartikler. I deres nye undersøgelse brugte de en teknik kendt som transmissionselektronmikroskopi (TEM), som er den mest etablerede teknik til in situ observation og billeddannelse af magnetiske teksturer i prøver, der er op til et par hundrede nanometer tykke.

"Den indfaldende elektronstråle, der bevæger sig gennem prøven, interagerer med det magnetiske felt, der er resultatet af lokale variationer i magnetiseringen i prøven, hvilket gør det muligt at registrere magnetisk kontrast med nanometer rumlig opløsning," forklarede Kiselev. "Den distinkte magnetiske kontrast mellem skyrmioner og antiskyrmioner gjorde det muligt for os at skelne mellem disse partikler såvel som processen med deres skabelse og udslettelse."

Som forskere forklarer, var en af ​​nøgleingredienserne bag vellykket observation af antiskyrmioner deres brug af en usædvanlig tynd FeGe-plade af høj kvalitet (dvs. 1 μm x 1 μm firkantet plade på kun 70 nm i tykkelse). Denne prøve var blevet fremstillet ved hjælp af en teknik kendt som fokuseret ionstrålefræsning.

Prøvens form er vigtig og fremmer dannelsen af ​​"lukkede" domænevægge ved prøvens kanter. Sidstnævnte er en forudsætning for kernedannelse af antiskyrmioner under påføring på prøven af ​​et eksternt magnetfelt.

"Før vores arbejde var det almindeligt antaget, at skyrmioner og antiskyrmioner ikke kunne eksistere side om side i kubiske chirale magneter," sagde Kiselev. "Men vores teoretiske og eksperimentelle arbejde beviser, at det faktisk er muligt. Muligheden for, at skyrmioner og antiskyrmioner kan eksistere side om side over en bred vifte af temperaturer og anvendte magnetfelter blev overset i tidligere teoretiske undersøgelser, inklusive vores egne."

Resultaterne indsamlet af dette hold af forskere kunne inspirere til flere undersøgelser af magnetiske solitoner med forskellige topologiske ladninger og symmetri, som ikke var kendt før. I fremtiden kan en sådan mangfoldighed af partikellignende tilstande bane vejen for nye strategier til at bruge magnetiske solitoner i spintroniske enheder.

For at udforske disse strategier bliver forskerne imidlertid først nødt til at udføre systematiske undersøgelser af magnetiske solitoners fysiske egenskaber og finde eller syntetisere nye materialer, hvori magnetiske solitoner er til stede under omgivende forhold.

"Vores arbejde antyder eksistensen af ​​en bred mangfoldighed af solitoner, som ikke er blevet observeret eksperimentelt indtil videre," tilføjede Kiselev. "Vi planlægger nu at finde en pålidelig protokol til at indsamle eksperimentelle observationer af eksotiske solitoner såsom skyrmionposer og andre tredimensionelle solitoner, der er kendt som hopfions. Foreløbige undersøgelser viser, at observation af sådanne eksotiske solitoner burde være mulig i FeGe og andre materialer. af denne klasse." + Udforsk yderligere

Ny eksotisk magnetisk kvasipartikel 'skyrmion bundle' slutter sig til topologisk zoologisk have

© 2022 Science X Network