Topologisk smeltning af en krystal

Introduktionen af ​​topologi, en gren af ​​matematikken med fokus på egenskaberne ved 'knuder, ' ind i fysikken har inspireret revolutionære begreber som topologiske faser af stof og topologiske faseovergange, som resulterede i Nobelprisen i fysik i 2016.

Magnetiske skyrmioner, spin "nano-tornados" opkaldt efter partikelfysiker Tony Skyrme, med unik topologi (viklingskonfigurationer), har tiltrukket sig stigende opmærksomhed i det sidste årti både på grund af deres betydning i grundlæggende fysik og deres lovende anvendelser i næste generation af magnetisk lagring. Disse nano-tornadoer, også kendt som kvasipartikler (i modsætning til ægte stof partikler som atomer og elektroner), kan danne krystallinske strukturer – dvs. de arrangerer på en periodisk og symmetrisk måde på samme måde som atomer i en kvartskrystal.

Ud fra erfaringer fra hverdagen, vi er klar over, at et krystallinsk faststof, såsom is, kan smelte ved opvarmning. Man kan også have bemærket, at alle sådanne smelteovergange sker i et enkelt trin, fra den faste tilstand direkte til den flydende tilstand. Inden for rammerne af topologisk faseovergang i en meget tynd krystal, imidlertid, en smelteproces kan tage to trin, via en topologisk fase kaldet den hexatiske fase. Hvordan ser sådan en topologisk fase ud, og hvordan foregår denne smelteproces?

Nu, EPFL-fysikere har fundet en måde at visualisere hele smelteprocessen på, som rapporteret for nylig i Natur nanoteknologi . Forskere fra Laboratory for Quantum Magnetism (LQM), Laboratorium for ultrahurtig mikroskopi og elektronspredning (LUMES), Centre Interdisciplinaire de Microscopie Électronique (CIME) og Crystal Growth Facility har påvist, at skyrmionkrystallerne i forbindelsen Cu ₂ OSeO ₃ kan smeltes ved at variere magnetfeltet gennem to trin, med hvert trin forbundet med en specifik type topologiske defekter.

Forskerne brugte en state-of-the-art teknik kaldet Lorentz Transmission Electron Microscopy (LTEM), der kan afbilde magnetiske teksturer i nanometrisk opløsning for at visualisere skyrmioner indlejret i en meget tynd plade af Cu ₂ OSeO ₃ krystal ved -250 grader Celsius. De optog massive billeder og videoer, når de varierede magnetfeltet. Ved omfattende kvantitativ analyse, to nye faser, skyrmion hexatiske fase og skyrmion flydende fase, er blevet påvist. Nye faser af stof har ofte mulighederne for nye funktionaliteter, og dette arbejde, ved klart at se dem, baner vejen for yderligere forskning og udvikling.