Scanning tunneling mikroskopi afslører oprindelsen af ​​stabile skyrmion gitre

RIKEN-fysikere har opdaget, hvordan interaktioner mellem elektroner kan stabilisere et gentaget arrangement af hvirvlende magnetiske mønstre kendt som skyrmioner, som kunne bidrage til at udnytte disse strukturer yderligere.

En elektrons spin får den til at opføre sig som en miniaturemagnet. I en skyrmion, mange af disse spins er arrangeret i et hvirvlende mønster, der ligner en lille tornado. Skyrmions er meget lovende som et middel til at transportere information i en ny generation af high-density, lavenergi-datalagringsenheder.

Skyrmioner opfører sig som om de er forskellige partikler, og flere skyrmioner kan arrangere sig selv i et almindeligt gitter inden for visse typer materiale. Men forskere diskuterer stadig, hvordan disse stabile skyrmion-gitre dannes.

For at opdage mere om skyrmion-gitre, Yuuki Yasui ved RIKEN Center for Emergent Matter Science og kolleger studerede et metallisk materiale kaldet gadolinium ruthenium silicid (GdRu2Si2; Fig. 1). Elektroner i materialets gadoliniumatomer er i høj grad ansvarlige for dets magnetiske egenskaber, mens ruthenium-atomerne bidrager med 'omvandrende' elektroner, der er mere mobile.

Holdet havde tidligere fundet ud af, at ved at påføre et magnetisk felt på materialet, de kunne skabe et kvadratisk gitter af skyrmioner arrangeret i et gittermønster med intervaller på omkring 2 nanometer. I den nye undersøgelse, de brugte en teknik kaldet spectroscopic-imaging scanning tunneling microscopy (SI-STM) til at studere de omrejsende elektroner i GdRu2Si2.

Forskerne afkølede materialet til -271 grader Celsius og anvendte en række magnetiske felter til at generere forskellige magnetiske mønstre. SI-STM målinger viste, at ændringer i materialets magnetiske mønstre blev afspejlet i fordelingen af ​​omrejsende elektroner. Afgørende, holdet så også, at skyrmion-gittermønsteret er præget på materialets omrejsende elektroner, på grund af interaktioner mellem spins af lokaliserede og omrejsende elektroner.

Forskerne foreslår, at disse interaktioner kan spille en vigtig rolle i dannelsen af ​​det kvadratiske skyrmion-gitter. "Den foreslåede mekanisme stabiliserer skyrmion-gitre, " siger Yasui.

Holdet udførte også teoretiske beregninger, baseret på interaktioner mellem lokaliserede og omrejsende elektroner, at forudsige fordelingen af ​​omrejsende elektroner i materialet under forskellige magnetfelter. Disse fordelinger var meget lig mønstrene observeret af SI-STM, støtte til den mekanisme, som forskerne har foreslået.

Ud over at give fingerpeg om, hvordan skyrmion-gitre stabiliseres, forskningen viser, at SI-STM kan bruges til indirekte at overvåge skyrmions adfærd. "Dette kunne give forskere et nyttigt værktøj til at studere skyrmion-gitre i andre materialer, " siger Yasui.