Opdagelse af højorden skyrmioner og antiskyrmioner

Forskere ved universitetet i Augsburg og universitetet i Wien har opdaget sameksisterende magnetiske skyrmioner og antiskyrmioner af vilkårlig topologisk ladning ved stuetemperatur i magnetiske Co/Ni flerlags tynde film. Deres resultater er blevet offentliggjort i Nature Physics og åbne muligheden for et nyt paradigme inden for skyrmionisk forskning.

Opdagelsen af ​​nye spin-objekter med vilkårlig topologisk ladning lover at bidrage til fremskridt inden for grundlæggende og anvendt forskning, især gennem deres anvendelse i informationslagringsenheder.

Magnetiske skyrmioner er lokaliserede, stabile topologiske magnetiske spin-teksturer, der ligner en tornado-lignende hvirvel i et magnetisk materiale. De kan være meget små, med diametre i nanometerområdet og opføre sig som partikler, der kan flyttes, skabes og tilintetgøres, hvilket gør dem velegnede til applikationer af 'rammen'-typen inden for informationslagring og logiske enheder.

I deres artikel i Nature Physics , med titlen "Dipolar skyrmions and antiskyrmions of arbitrary topological charge at room temperature," en gruppe forskere ved University of Augsburg ledet af prof. Manfred Albrecht demonstrerer, at disse spin-objekter kun kan findes i en særskilt faselomme i stabilitetsdiagrammet, hvor kvalitetsfaktoren Q har en værdi på ca. 1, hvilket er givet af forholdet mellem den enaksede magnetiske anisotropi og den magnetiske formanisotropi.

Takket være omfattende simuleringer udført af Sabri Koraltan og kolleger fra simulationsgruppen ved universitetet i Wien, ledet af prof. Dieter Suess, og støttet af Dr. Nikolai Kiselev fra Forschungszentrum Jülich, var forskerne også i stand til at identificere de præcise årsager til spin genstande kan findes i stabilitetsdiagrammet, deres underliggende dannelsesproces, samt de nødvendige materialeegenskaber, der nu også kan anvendes på andre materialesystemer.

"Vi er meget begejstrede for den spændende indsigt, man opnår ved opdagelsen af ​​disse spin-objekter, som let kan fremstilles ved stuetemperatur. Dette er et enestående videnskabeligt fremskridt inden for skyrmioner og topologiske spin-objekter," siger Albrecht. Disse skyrmioniske spin-teksturer i nanoskala giver ekstra grader af frihed og kan indlejres i tyndfilmsenheder, der muliggør forskellige applikationer lige fra ukonventionel databehandling til nye lagringskoncepter.

Et yderligere meget væsentligt aspekt ved spin-objekter er, at en spin-polariseret strøm inducerer deres bevægelse. Når en ladningsstrøm passerer gennem et ledende magnetisk materiale, vil det polariserede elektronspin udøve et moment på magnetiseringen kendt som spin-overførselsmomentet. Dette drejningsmoment kan sætte skyrmioner af højere orden i bevægelse.

"Ved at bruge mikromagnetiske simuleringer kunne vi demonstrere den effektive kontrol af bevægelsen af ​​disse ekstraordinære spin-objekter, hvilket åbner op for yderligere muligheder for skyrmioniske enheder," siger Koraltan, en doktorgradskandidat fra universitetet i Wiens beregningsgruppe.

Lorentz transmissionselektronmikroskopi ved University of Augsburg blev brugt i vid udstrækning i undersøgelsen, som i øjeblikket udvides til at visualisere den strøminducerede bevægelse af disse multiple ladningsspinobjekter.

"I hvilken udstrækning vores forudsigelser om deres bevægelseskarakteristika kan bekræftes eksperimentelt, vil være meget spændende at forske i i den nærmeste fremtid," siger Mariam Hassan, en postdoc-forsker ved University of Augsburg.

Flere oplysninger: Mariam Hassan et al., Dipolære skyrmioner og antiskyrmioner med vilkårlig topologisk ladning ved stuetemperatur, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02358-z

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af University of Augsburg