Générer des biskyrmions dans un aimant de terres rares

Les skyrmions magnétiques ont reçu beaucoup d’attention en tant que quasiparticules prometteuses et topologiquement protégées avec des applications en spintronique. Les skyrmions sont de petites excitations magnétiques topologiques tourbillonnantes dotées de propriétés semblables à celles des particules. Néanmoins, la moindre stabilité des skyrmions magnétiques ne leur permet d’exister que dans une plage de températures étroite, avec une faible densité de particules, impliquant ainsi la nécessité d’un champ magnétique externe, ce qui limite considérablement leurs applications plus larges.

Dans un nouveau rapport publié dans Avancées scientifiquesYuzhu Song et une équipe de chercheurs ont formé des biskyrmions magnétiques spontanés à haute densité sans champ magnétique dans des ferriaimants via la dilatation thermique du réseau.

L’équipe a noté un lien étroit entre la structure ferrimagnétique à l’échelle atomique et les domaines magnétiques à l’échelle nanométrique dans un composé ferrimagnétique en utilisant diffraction de poudre de neutrons et Microscopie électronique à transmission de Lorentz des mesures.

Song et son équipe ont exploré le rôle critique de la dilatation thermique négative dans la génération de biskyrmions dans le composé ferrimagnétique en raison des effets de couplage magnéto-élastique, afin de comparer le comportement du matériau avec une dilatation thermique positive.

Skyrmions et biskyrmions

Les skyrmions magnétiques sont des structures de domaine magnétique à l’échelle nanométrique dotées d’une protection topologique. Leurs caractéristiques uniques et leur petite taille, ainsi que leur faible consommation d’énergie et leur comportement alimenté par le courant électrique, en font des candidats prometteurs pour des applications dans dispositifs de stockage spintroniques.

Depuis leur découverte en 2009, les skyrmions magnétiques sont entrés dans une période de développement rapide. Les scientifiques des matériaux et les physiciens ont découvert que les structures de spin topologiques contiennent diverses charges topologiques, notamment des skyrmions, des biskyrmions, des anti-skyrmions, des mérons et des antitimerons. La compétition entre les interactions dipolaires magnétiques et l’anisotropie magnétique uniaxiale détermine généralement la génération de biskyrmions.

Dans ce travail, l’équipe de recherche a proposé la stabilisation de biskyrmions magnétiques spontanés de haute densité sur une large plage de températures en étudiant la dilatation thermique négative d’un réseau, par rapport à un composé ferrimagnétique métallique massif composé d’un système holmium-cobalt [Ho(Co,Fe)3].

L’équipe a étudié comparativement le composé en caractérisant la dilatation thermique positive et le mécanisme de dilatation thermique négative, afin de comprendre la stabilité des biskyrmions magnétiques au sein de l’aimant de terres rares (HoCo3).

Les expériences

L’équipe de recherche a d’abord obtenu les structures cristallines et magnétiques du composé magnétique en effectuant des analyses dépendant de la température variable. mesures de diffraction de neutrons sur poudre. Ils ont noté une variation distincte de l’intensité du profil du matériau sur diverses plages de température et ont montré l’expression de changements structurels magnétiques complexes.

Song et son équipe ont déterminé la structure cristalline du matériau et exploré les moments magnétiques de l’élément terre rare. holmium (Ho) constituant le composé, aux côtés de l’atome de métal de transition cobalt (Co).

Le moment magnétique du ferrimagnétique tournait avec des températures variables pour créer un phénomène connu sous le nom de réorientation de rotation, leur permettant de mesurer la dépendance à la température du processus de magnétisation. Lorsque les températures dépassaient ~425 K, la structure magnétique prenait un état paramagnétique désordonné. Les résultats de la structure magnétique correspondent bien aux données de diffraction des poudres de neutrons à toutes les températures.

Le moment magnétique

Les scientifiques ont résumé l’évolution des paramètres magnétiques et structurels du ferrimagnétique en fonction de la température sur toute une plage de température. Ils ont noté l’expansion d’une cellule unitaire d’un composé magnétique avec une température accrue due à vibrations anharmoniques du réseau. Ils ont également mené des études supplémentaires de diffraction de neutrons sur poudre pour calculer les composants magnétiques et les moments magnétiques totaux des atomes d’holmium et de cobalt constitutifs.

L’équipe a exploré l’ordre magnétique complexe dans le système ferrimagnétique holmium-cobalt en calculant les structures de bande et les états de densité du composé via les premiers principes. Comme pour de nombreux systèmes de terres rares, le Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) les interactions sont à l’origine du magnétisme complexe du ferrimagnétique.

Comparaison de la dilatation thermique négative et de la dilatation thermique positive du réseau

Au cours d’expériences supplémentaires, Song et son équipe ont effectué une analyse par diffraction de poudre de neutrons pour montrer le moment magnétique de rotation du système holmium-cobalt avec une dilatation thermique négative du réseau lors du refroidissement.

Sous un champ magnétique nul, les scientifiques ont imagé les structures du domaine magnétique du ferrimagnétique sur une plage de températures, pour montrer différents biskyrmions magnétiques du composé. Ils considéraient la texture de spin des biskyrmions comme étant composée de deux skyrmions avec des hélices opposées.

Les skyrmions spontanés représentaient des densités très élevées et une stabilité sur une large plage de températures. Ils ont comparé la dilatation thermique négative du système holmium-cobalt et l’existence de skyrmions stables en caractérisant les résultats avec un autre composé contenant du fer pour montrer une dilatation thermique positive dans ce dernier.

L’équipe n’a observé aucun skyrmion dans ce dernier composé ferreux intégré, qu’elle a étudié dans la même plage de température au cours de laquelle les biskyrmions sont apparus dans le système holmium-cobalt.

Perspectives

De cette manière, Yuzhu Song et son équipe ont exploré la cohérence de l’expansion du réseau et l’augmentation progressive des biskyrmions en raison de la diminution des températures, en confirmant la dilatation thermique négative lors de la stabilisation des biskyrmions dans un aimant de terres rares.

L’équipe a obtenu des biskyrmions magnétiques spontanés de haute densité sur une large plage de températures, sans appliquer de champ magnétique aux systèmes holmium-cobalt en vrac. Ils ont déterminé les structures magnétiques et cristallines complexes des composés en utilisant la diffusion de poudres de neutrons sur toute la plage de températures expérimentales.

Les résultats ont mis en évidence un mécanisme élargi permettant de générer des skyrmions spontanés à haute densité sur une large plage de températures dans les systèmes de métaux des terres rares.

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