I klassisk mekanik, partiklar representeras av punktmassor eller stela kroppar, och inom fältteori genom vågliknande excitationer eller vibrationer. Magnetiska skyrmions är små, virvelliknande spinntexturer av topologiskt ursprung som finns i en mängd olika magnetiska material, och kännetecknas av lång livslängd. De upptäcktes första gången 2009. I kirala magneter, skyrmions och skyrmion kristaller (SkX) visar unika fysiska egenskaper på grund av deras stabilitet vid ultralåg strömtäthet. Att förklara stabiliteten hos sådana partiklar är otrivligt; dock, partiklarna kan beskrivas som topologiskt skyddade mot små störningar och sönderfall. Dessa egenskaper kan vara fördelaktiga för potentiella tillämpningar av skyrmions som informationsbärare i magnetminnen för lagring och bearbetning. Skyrmions bildas i magnetiska system via en mängd olika mekanismer, några av dem fungerar tillsammans.

Mekanismerna inkluderar Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen (DMI), frustrerad utbytesinteraktion, långsiktiga magnetiska dipolära interaktioner och fyra-spin-utbytesinteraktioner, kännetecknas av diametern på den resulterande skyrmionstrukturen. Till exempel, kirala magneter med en antisymmetrisk interaktion mellan snurrningarna, känd som DMI, kan bilda en triangulär-gitter skyrmion kristall (SkX). Specifikt, en ändlig DMI kan uppstå på grund av bruten inversionssymmetri vid gränssnitt mellan tunna filmlager eller i bulkmaterial med kirala eller polära strukturer.

I metalliska system, förekomsten av en kiral interaktion demonstrerades först för oordnade legeringar. Skyrmions baserade på DMI observerades nyligen i Co-Zn-Mn-legeringar med irländsk kubisk struktur av β-Mn-typ, där enhetscellen innehåller 20 atomer fördelade över två olikvärda kristallografiska platser. Nu skriver jag in Vetenskapliga framsteg , Kosuke Karube och medarbetare rapporterar det mellanliggande kompositionssystemet Co ₇ Zn ₇ Mn ₆ som en unik värd av två frånkopplade, topologiska skyrmionfaser.

Enligt rapporten, en fas är en konventionell skyrmionkristall stabiliserad av termiska fluktuationer och begränsad att existera strax under den magnetiska övergångstemperaturen (T _c ), medan den andra fasen är en ny tredimensionellt störd skyrmionkristallfas som är stabil långt under T _c . Stabiliteten i denna nya störda skyrmionfas tillskrevs ett samarbete mellan den kirala magnetismen med DMI och den frustrerade magnetismen som är inneboende i β-Mn-strukturen.

Skyrmions kan vanligtvis observeras genom liten vinkel neuronspridning (SANS) och med mikroskopitekniker i verkligt utrymme. I kirala magneter, effekten av DMI vrider gradvis ferromagnetiskt kopplade stunder för att bilda ett spiralformat jordtillstånd. I studien, författarna rapporterade liknande beteende för en spinnglasfas som är symptomatisk för frustrerad magnetism som existerar vid låga temperaturer över ett brett spektrum av Mn-kompositioner för Co-Zn-Mn-legeringar. Glasfasen invaderade spiralformat tillstånd för att visa typisk metallisolatorövergång som indikerar den mikroskopiska samexistensen av de två faserna. För att undersöka det mekanistiska inflytandet av frustrerade utbytesinteraktioner på spiralformade och topologiska spinnstrukturer, författarna fokuserade på Co ₇ Zn ₇ Mn ₆ med t _c ~ 160 K och spinnglasets övergångstemperatur T _g ~ 30 K. I studien, ytterligare mätningar gjordes av SANS, magnetisering, växelström (ac) magnetfältkänslighet och Lorentz transmissionselektronmikroskopi (LTEM) av materialet.

Forskarna sammanfattade sina fynd i ett fasdiagram för att visa två distinkta, jämvikt skyrmion faser. En konventionell SkX -fas något under T _c och en ny störd skyrmionfas (DSK) -fas nära T _g .

I fältminskningsprocessen som senare observerades, den nya fasen släcktes som ett metastabilt tillstånd ner till nollfältskylning (ZFC). Fynden i studien underbyggdes genom att sammanfatta förhållandet mellan de verkliga rymdmagnetiska strukturerna med motsvarande SANS-mönster som registrerats i studien.

Real-space observationer utfördes med Lorentz transmissionselektronmikroskopi (LTEM) mätningar. I fältökande körning vid 135 K från nollfältskylning (ZFC), övergången från ett spiraltillstånd (H) till ett konventionellt SkX -tillstånd observerades. Vid 50 K, ett stört spiraltillstånd observerades, och däremot vid ett magnetfält på 0,2 T, flera stängda, prickliknande objekt som tilldelats skyrmions observerades tydligt. Observationen av DSK i LTEM -bilderna förklarades som en inneboende egenskap hos materialet, överensstämmer med motsvarande SANS -mönster som observerats i studien.

Studien undersökte kollektivt det möjliga ursprunget för den nya DSK -fasen, eftersom skyrmions faser i allmänhet stabiliseras med kvantkritiska eller termiska fluktuationer. Två typer av fluktuationer hittades i föreliggande studie för att främja topologisk fasstabilitet i Co ₇ Zn ₇ Mn ₆ , inklusive termiska fluktuationer och frustrationsinducerade fluktuationer. På det här sättet, skyrmion som styrs av DMI visade en ny mekanism för topologisk stabilitet i Co ₇ Zn ₇ Mn ₆ .

© 2018 Phys.org