Erzeugung von Biskyrmionen in einem Seltenerdmagneten

16. September 2023 Feature

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Von Thamarasee Jeewandara verfasst, Phys.org

Magnetische Skyrme haben als vielversprechende, topologisch geschützte Quasiteilchen mit Anwendungen in der Spintronik viel Aufmerksamkeit erhalten. Skyrme sind kleine, wirbelnde topologische magnetische Anregungen mit teilchenähnlichen Eigenschaften. Dennoch können magnetische Skyrme aufgrund ihrer geringeren Stabilität nur in einem engen Temperaturbereich mit geringer Teilchendichte existieren, was die Notwendigkeit eines externen Magnetfelds impliziert, was ihre breitere Anwendung stark einschränkt.  

In einem neuen Bericht, der in Science Advances veröffentlicht wurde, haben Yuzhu Song und ein Forscherteam hochdichte, spontane magnetische Biskyrmione in ferrimagnetischen Materialien ohne magnetisches Feld durch thermische Expansion des Gitters gebildet.

Das Team stellte eine starke Verbindung zwischen der atomaren ferrimagnetischen Struktur und den nanoskaligen magnetischen Domänen in einer ferrimagnetischen Verbindung fest, indem es Neutronenpulverbeugung und Lorentz-Transmissions-Elektronenmikroskopie-Messungen verwendete.

Song und das Team untersuchten die entscheidende Rolle der negativen thermischen Ausdehnung bei der Erzeugung von Biskyrmionen in der Ferrimagnetverbindung aufgrund von Effekten der magnetisch-elastischen Kopplung, um das Verhalten des Materials mit positiver thermischer Ausdehnung zu vergleichen.

Magnetische Skyrme sind nanoskalige magnetische Domänengebilde mit topologischem Schutz. Ihre einzigartigen Merkmale und geringe Größe sowie der geringere Energieverbrauch zusammen mit einem durch elektrischen Strom gesteuerten Verhalten machen sie zu vielversprechenden Kandidaten für Anwendungen in Spintronik-Speichergeräten.

Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2009 haben Magnetische Skyrme eine Phase schneller Entwicklung erreicht. Materialwissenschaftler und Physiker haben topologische Spinstrukturen entdeckt, die verschiedene topologische Ladungen umfassen, darunter Skyrme, Biskyrmione, Antiskyrme, Meronen und Antimeronen. Der Wettbewerb zwischen magnetischen Dipolwechselwirkungen und einaxialer magnetischer Anisotropie bestimmt normalerweise die Erzeugung von Biskyrmionen.

In dieser Arbeit schlug das Forschungsteam die Stabilisierung von hochdichten, spontanen magnetischen Biskyrmionen über einen weiten Temperaturbereich hinweg vor, indem es die negative thermische Ausdehnung eines Gitters untersuchte, verglichen mit einer massiven metallischen Ferrimagnetverbindung aus einem Holmium-Kobalt-System [Ho(Co,Fe)3].

Das Team untersuchte die Verbindung vergleichend, indem es positive thermische Ausdehnung und den Mechanismus der negativen thermischen Ausdehnung charakterisierte, um die Stabilität magnetischer Biskyrmione innerhalb des Seltenerde-Magneten (HoCo3) zu verstehen.

Das Forschungsteam ermittelte zunächst die Kristall- und magnetischen Strukturen der magnetischen Verbindung durch durchführen von neutronenpulverabhängigen Beugungsmessungen bei variabler Temperatur. Sie stellten eine deutliche Variation der Intensität des Materials in verschiedenen Temperaturbereichen fest und zeigten die Expression komplexer magnetischer struktureller Veränderungen.

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

Das magnetische Moment des Ferrimagneten rotierte mit unterschiedlichen Temperaturen, um ein Phänomen namens Spin-Umorientierung zu erzeugen, das es ihnen ermöglichte, den temperaturabhängigen Magnetisierungsprozess zu messen. Wenn Temperaturen von ~425 K überschritten wurden, nahm die magnetische Struktur einen ungeordneten paramagnetischen Zustand an. Die Ergebnisse der magnetischen Struktur stimmten gut mit den Neutronenpulverbeugungsdaten in allen Temperaturen überein.

Die Wissenschaftler fassten die temperaturabhängige Entwicklung der magnetischen und strukturellen Parameter des Ferrimagneten über einen gesamten Temperaturbereich zusammen. Sie stellten fest, dass sich eine Einheitszelle einer magnetischen Verbindung mit steigender Temperatur aufgrund von anharmonischen Gitterschwingungen ausdehnt. Sie führten auch zusätzliche Untersuchungen mit neutronenpulverabhängigen Beugungen durch, um die magnetischen Komponenten und die Gesamtmagnetmomente der bildenden Holmium- und Cobaltatome zu berechnen.

Das Team untersuchte die komplexe magnetische Ordnung im ferrimagnetischen Holmium-Kobalt-System, indem es die Bandstrukturen und Dichtezustände der Verbindung mittels erster Prinzipien berechnete. Wie bei vielen Seltenerde-Systemen bildeten die Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY)-Wechselwirkungen die Grundlage des komplexen Magnetismus des Ferrimagneten.

During additional experiments, Song and team conducted neutron powder diffraction analysis to show the rotating magnetic moment of the holmium-cobalt system with lattice negative thermal expansion at cooling.

Under zero magnetic field, the scientists imaged the magnetic domain structures of the ferrimagnet across a temperature range, to show varying magnetic biskyrmions of the compound. They regarded the spin texture of biskyrmions as being composed of two skyrmions with opposite helices.

The spontaneous skyrmions represented very high densities with stability across a wide temperature range. They compared the lattice negative thermal expansion of the holmium-cobalt system and the existence of stable skyrmions by characterizing the outcomes with another compound containing iron to show positive thermal expansion in the latter.

The team did not observe any skyrmions in this latter ferrous-integrated compound, which they investigated at the same temperature range during which biskyrmions appeared in the holmium-cobalt system.

In this way, Yuzhu Song and team explored the consistency of lattice expansion and the gradual increase of biskyrmions due to decreasing temperatures, by confirming negative thermal expansion during the stabilization of biskyrmions within a rare earth magnet.

The team obtained high-density, spontaneous magnetic biskyrmions across a wide temperature range, without applying a magnetic field to the bulk holmium-cobalt systems. They determined the complex magnetic and crystal structures of the compounds using neutron powder scattering across the entire experimental temperature range.

The outcomes highlighted an expanded mechanism to generate spontaneous, high-density skyrmions across a broad temperature range in rare earth metal systems.

Journal information: Science Advances , Nature

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