Övre panel:spinnkonfiguration av en skyrmion. Nedre panel:Voronoi tessellation av representativa skyrmiongitterkonfigurationer i det fasta, den hexatiska respektive den flytande fasen. Kredit:Huang Ping (Xi'an Jiaotong University)
Introduktionen av topologi, en gren av matematiken som fokuserar på egenskaperna hos "knutar", ' in i fysiken har inspirerat revolutionära koncept som topologiska faser av materia och topologiska fasövergångar, som resulterade i Nobelpriset i fysik 2016.
Magnetiska skyrmioner, spin "nano-tornados" uppkallad efter partikelfysikern Tony Skyrme, med unik topologi (lindningskonfigurationer), har rönt ökad uppmärksamhet under det senaste decenniet både på grund av deras betydelse i grundläggande fysik och deras lovande tillämpningar i nästa generations magnetisk lagring. Dessa nano-tornados, även känd som kvasipartiklar (i motsats till verklig materia partiklar som atomer och elektroner), kan bilda kristallina strukturer, dvs. de ordnar sig på ett periodiskt och symmetriskt sätt på samma sätt som atomer i en kvartskristall.
Från upplevelser från vardagen, vi är medvetna om att ett kristallint fast ämne, som is, kan smälta vid uppvärmning. Man kan också ha noterat att alla sådana smältövergångar sker i ett enda steg, dvs från fast tillstånd direkt till flytande tillstånd. Inom ramen för topologisk fasövergång i en mycket tunn kristall, dock, en smältprocess kan ta två steg, via en topologisk fas som kallas den hexatiska fasen. Hur ser en sådan topologisk fas ut, och hur sker denna smältprocess?
Nu, EPFL-fysiker har hittat ett sätt att visualisera hela smältprocessen, som nyligen rapporterats i Naturens nanoteknik . Forskare från Laboratory for Quantum Magnetism (LQM), Laboratorium för ultrasnabb mikroskopi och elektronspridning (LUMES), Centre Interdisciplinaire de Microscopie Électronique (CIME) och Crystal Growth Facility har visat att skyrmionkristallerna i föreningen Cu 2 OSeO 3 kan smältas genom att variera magnetfältet genom två steg, med varje steg associerat med en specifik typ av topologiska defekter.
Forskarna använde en toppmodern teknik som kallas Lorentz Transmission Electron Microscopy (LTEM) som kan avbilda magnetiska texturer i nanometrisk upplösning för att visualisera skyrmioner inbäddade i en mycket tunn platta av Cu 2 OSeO 3 kristall vid -250 grader Celsius. De spelade in massiva bilder och videor när de varierade magnetfältet. Genom omfattande kvantitativ analys, två nya faser, den hexatiska fasen av skyrmion och den flytande fasen av skyrmion, har visats. Nya faser av materien har ofta möjligheterna med nya funktioner, och detta arbete, genom att tydligt se dem, banar väg för vidare forskning och utveckling.
