Vänster:Skyrmion-antiskyrmion-par förutspått med hjälp av mikromagnetiska simuleringar och en motsvarande simulerad Lorentz TEM-bild i överfokusregimen. Isoytorna motsvarar positionerna för magnetiseringsvektorer som ligger i filmens plan. Färgen indikerar magnetiseringsvektorernas riktning i planet. Till höger:Experimentell Lorentz TEM-bild av ett skyrmion-antiskyrmion-par inspelat under samma förhållanden som den simulerade bilden. De ljusa och mörka fläckarna motsvarar en skyrmion respektive en antiskyrmion. Kredit:Zheng et al.
Matchande partiklar och antipartiklar är små enheter av materia som har samma massa men motsatta elektriska laddningar. Typiskt tenderar dessa enheter av materia med motsatt elektrisk laddning att förinta varandra.
Studier har förutspått att samma beteende också bör observeras i magnetiska solitoner med motsatta topologiska laddningar. Magnetiska solitoner, eller solitära vågor, är lokaliserade spinntexturer som bibehåller sin form samtidigt som de fortplantar sig med en konstant hastighet och kan särskiljas genom sin topologiska laddning Q.
Baserat på teoretiska förutsägelser bör magnetiska solitoner med motsatta Q-värden kontinuerligt smälta samman och förinta sig själva. Detta inkluderar skyrmioner och antiskyrmioner, virvlande topologiska magnetiska texturer som realiseras som emergenta partiklar i magneter.
Forskare vid Forschungszentrum Jülich och JARA i Tyskland i samarbete med KTH Stockholm och Uppsala universitet i Sverige har nyligen genomfört ett av de första experimenten som syftar till att testa dessa förutsägelser. Deras artikel, publicerad i Nature Physics , demonstrerar skapandet och förintelsen av skyrmion-antiskyrmionpar i en kubisk kiral magnet.
"Under de senaste åren har vi intensivt studerat magnetiska solitoner i kirala magneter med syftet att avslöja deras partikelliknande egenskaper," sa Nikolai Kiselev, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Den mest välkända typen av soliton i dessa material är en magnetisk kiral skyrmion. Vi har samlat på oss lång erfarenhet av studier av en speciell legering av FeGe, som är ett representativt exempel på en rik familj av kirala magneter med en B20-typ kristallstruktur."
Inledningsvis satte Kiselev och hans kollegor ut för att observera skyrmionpåsar - exotiska magnetiska solitoner med en godtycklig topologisk laddning, som har förutspåtts i tidigare teoretiskt arbete. För detta experiment tillverkade forskarna en ultratunn film av den kubiska kirala magneten FeGe.
Samtidigt som forskarna genomförde sina experiment avslöjade forskarna andra intressanta fenomen, som de till slut fann vara associerade med skyrmion-antipartiklar. I sin nya studie använde de en teknik som kallas transmissionselektronmikroskopi (TEM), vilket är den mest etablerade tekniken för in situ-observation och avbildning av magnetiska texturer i prover som är upp till några hundra nanometer tjocka.
"Den infallande elektronstrålen som färdas genom provet interagerar med magnetfältet som är ett resultat av lokala variationer i magnetiseringen i provet, vilket gör att magnetisk kontrast kan registreras med nanometer rumslig upplösning," förklarade Kiselev. "Den distinkta magnetiska kontrasten mellan skyrmioner och antiskyrmioner gjorde det möjligt för oss att särskilja dessa partiklar, såväl som processen för deras skapelse och förintelse."
Som forskare förklarar var en av nyckelingredienserna bakom framgångsrik observation av antiskyrmioner deras användning av en exceptionellt tunn och högkvalitativ FeGe-platta (dvs. 1 μm x 1 μm kvadratisk platta med endast 70 nm i tjocklek). Detta prov hade framställts med en teknik som kallas fokuserad jonstrålefräsning.
Formen på provet är viktig och förbättrar bildandet av "slutna" domänväggar vid provets kanter. Det senare är en förutsättning för kärnbildning av antiskyrmioner under applicering på provet av ett externt magnetfält.
"Innan vårt arbete antogs det vanligt att skyrmioner och antiskyrmioner inte kunde samexistera i kubiska kirala magneter," sa Kiselev. "Men vårt teoretiska och experimentella arbete bevisar att det verkligen är möjligt. Möjligheten att skyrmioner och antiskyrmioner kan samexistera över ett brett spektrum av temperaturer och applicerade magnetfält förbises i tidigare teoretiska studier, inklusive vår egen."
Resultaten som samlats in av detta team av forskare kan inspirera till fler studier av magnetiska solitoner med olika topologiska laddningar och symmetri som inte var kända tidigare. I framtiden kan en sådan mångfald av partikelliknande tillstånd bana väg mot nya strategier för att använda magnetiska solitoner i spintroniska enheter.
För att utforska dessa strategier kommer forskarna dock först att behöva genomföra systematiska studier av magnetiska solitoners fysikaliska egenskaper och hitta eller syntetisera nya material där magnetiska solitoner är närvarande vid omgivande förhållanden.
"Vårt arbete tyder på att det finns en stor mångfald av solitoner som inte har observerats experimentellt hittills," tillade Kiselev. "Vi planerar nu att hitta ett tillförlitligt protokoll för att samla experimentella observationer av exotiska solitoner som skyrmionpåsar och andra tredimensionella solitoner som är kända som hopfions. Preliminära studier visar att observation av sådana exotiska solitoner borde vara genomförbart i FeGe och andra material av denna klass." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
