Erzeugung von Biskyrmionen in einem Seltenerdmagneten

Magnetische Skyrmionen haben als vielversprechende, topologisch geschützte Quasiteilchen mit Anwendungen in der Spintronik große Aufmerksamkeit erhalten. Skyrmionen sind kleine, wirbelnde topologische magnetische Anregungen mit teilchenähnlichen Eigenschaften. Aufgrund der geringeren Stabilität magnetischer Skyrmionen können diese jedoch nur in einem engen Temperaturbereich mit geringer Partikeldichte existieren, was die Notwendigkeit eines externen Magnetfelds impliziert, was ihre breiteren Anwendungen stark einschränkt.

In einem neuen Bericht veröffentlicht in Wissenschaftliche FortschritteYuzhu Song und ein Forscherteam bildeten in Ferrimagneten über die thermische Ausdehnung des Gitters spontane magnetische Biskyrmionen hoher Dichte ohne Magnetfeld.

Das Team stellte einen starken Zusammenhang zwischen der ferrimagnetischen Struktur im atomaren Maßstab und magnetischen Domänen im Nanomaßstab in einer ferrimagnetischen Verbindung fest Neutronenpulverbeugung Und Lorentz-Transmissionselektronenmikroskopie Messungen.

Song und sein Team untersuchten die entscheidende Rolle der negativen Wärmeausdehnung bei der Erzeugung von Biskyrmionen in der Ferrimagnetverbindung aufgrund magnetoelastischer Kopplungseffekte, um das Verhalten des Materials mit der positiven Wärmeausdehnung zu vergleichen.

Skyrmionen und Biskyrmionen

Magnetische Skyrmionen sind nanoskalige magnetische Domänenstrukturen mit topologischem Schutz. Ihre einzigartigen Eigenschaften und ihre geringe Größe sowie der geringere Energieverbrauch sowie das durch elektrischen Strom angetriebene Verhalten machen sie zu vielversprechenden Kandidaten für Anwendungen in Spintronische Speichergeräte.

Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2009, magnetische Skyrmionen sind in eine Phase rasanter Entwicklung eingetreten. Materialwissenschaftler und Physiker haben herausgefunden, dass topologische Spinstrukturen verschiedene topologische Ladungen enthalten, darunter Skyrmionen, Biskyrmionen, Antiskyrmionen, Merone und Antimerone. Die Konkurrenz zwischen magnetischen Dipolwechselwirkungen und einachsiger magnetischer Anisotropie bestimmt normalerweise die Generation von Biskyrmionen.

In dieser Arbeit schlug das Forschungsteam die Stabilisierung spontaner magnetischer Biskyrmionen hoher Dichte über einen weiten Temperaturbereich vor, indem es die negative Wärmeausdehnung eines Gitters im Vergleich zu einer massiven metallischen ferrimagnetischen Verbindung untersuchte, die aus a besteht Holmium-Kobalt-System [Ho(Co,Fe)3].

Das Team untersuchte die Verbindung vergleichend, indem es die positive Wärmeausdehnung und den Mechanismus der negativen Wärmeausdehnung charakterisierte, um die Stabilität magnetischer Biskyrmionen innerhalb des Seltenerdmagneten (HoCo3) zu verstehen.

Die Experimente

Das Forschungsteam ermittelte zunächst Kristall- und Magnetstrukturen der magnetischen Verbindung, indem es temperaturabhängige Messungen durchführte Neutronenpulverbeugungsmessungen. Sie stellten eine deutliche Variation der Profilintensität des Materials über verschiedene Temperaturbereiche fest und zeigten den Ausdruck komplexer magnetischer Strukturänderungen.

Song und Team bestimmten die Kristallstruktur des Materials und erforschten die magnetischen Momente des Seltenerdelements Holmium (Ho), das neben dem Übergangsmetallatom die Verbindung bildet Kobalt (Co).

Das magnetische Moment des Ferrimagneten drehte sich bei unterschiedlichen Temperaturen und erzeugte ein Phänomen, das als bekannt ist Spin-NeuorientierungDamit konnten sie die Temperaturabhängigkeit des Magnetisierungsprozesses messen. Als die Temperaturen ~425 K überstiegen, nahm die magnetische Struktur einen ungeordneten paramagnetischen Zustand an. Die Ergebnisse der magnetischen Struktur passen bei allen Temperaturen gut zu den Neutronenpulverbeugungsdaten.

Das magnetische Moment

Die Wissenschaftler fassten die temperaturabhängige Entwicklung der magnetischen und strukturellen Parameter des Ferrimagneten über einen gesamten Temperaturbereich zusammen. Sie stellten fest, dass sich eine Elementarzelle einer magnetischen Verbindung mit zunehmender Temperatur ausdehnt anharmonische Gitterschwingungen. Sie führten außerdem zusätzliche Neutronenpulverbeugungsstudien durch, um die magnetischen Komponenten und gesamten magnetischen Momente der bildenden Holmium- und Kobaltatome zu berechnen.

Das Team untersuchte die komplexe magnetische Ordnung im ferrimagnetischen Holmium-Kobalt-System, indem es die Bandstrukturen und Dichtezustände der Verbindung nach ersten Prinzipien berechnete. Wie bei vielen Seltenerdsystemen ist das Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida (RKKY) Wechselwirkungen liegen dem komplexen Magnetismus des Ferrimagneten zugrunde.

Vergleich der negativen Wärmeausdehnung des Gitters und der positiven Wärmeausdehnung

Während zusätzlicher Experimente führten Song und sein Team eine Neutronenpulverbeugungsanalyse durch, um das rotierende magnetische Moment des Holmium-Kobalt-Systems mit negativer Gitterwärmeausdehnung beim Abkühlen zu zeigen.

Unter einem Magnetfeld von Null bildeten die Wissenschaftler die magnetischen Domänenstrukturen des Ferrimagneten über einen Temperaturbereich ab, um unterschiedliche magnetische Biskyrmionen der Verbindung zu zeigen. Sie betrachteten die Spintextur von Biskyrmionen als aus zwei Skyrmionen mit entgegengesetzten Helices zusammengesetzt.

Die spontanen Skyrmionen stellten eine sehr hohe Dichte mit Stabilität über einen weiten Temperaturbereich dar. Sie verglichen die negative Gitterwärmeausdehnung des Holmium-Kobalt-Systems und die Existenz stabiler Skyrmionen, indem sie die Ergebnisse mit einer anderen eisenhaltigen Verbindung charakterisierten, um in letzterer eine positive Wärmeausdehnung zu zeigen.

Das Team beobachtete keine Skyrmionen in dieser letztgenannten Eisen-integrierten Verbindung, die sie im gleichen Temperaturbereich untersuchten, in dem Biskyrmionen im Holmium-Kobalt-System auftraten.

Ausblick

Auf diese Weise untersuchten Yuzhu Song und sein Team die Konsistenz der Gitterausdehnung und die allmähliche Zunahme von Biskyrmionen aufgrund sinkender Temperaturen, indem sie eine negative Wärmeausdehnung während der Stabilisierung von Biskyrmionen innerhalb eines Seltenerdmagneten bestätigten.

Das Team erhielt spontane magnetische Biskyrmionen hoher Dichte über einen weiten Temperaturbereich, ohne ein Magnetfeld an die Holmium-Kobalt-Massensysteme anzulegen. Sie ermittelten die komplexen Magnet- und Kristallstrukturen der Verbindungen mithilfe von Neutronenpulverstreuung über den gesamten experimentellen Temperaturbereich.

Die Ergebnisse verdeutlichten einen erweiterten Mechanismus zur Erzeugung spontaner Skyrmionen hoher Dichte über einen breiten Temperaturbereich in Seltenerdmetallsystemen.

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