Generando biskyrmions en un imán de tierras raras.
16 de septiembre de 2023 característica
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por Thamarasee Jeewandara, Phys.org
Los skyrmions magnéticos han recibido mucha atención como quasipartículas prometedoras y protegidas topológicamente con aplicaciones en la espintrónica. Los skyrmions son pequeñas excitaciones magnéticas topológicas en forma de remolinos con propiedades similares a las de las partículas. Sin embargo, la menor estabilidad de los skyrmions magnéticos solo les permite existir en un rango estrecho de temperatura, con baja densidad de partículas, lo que implica la necesidad de un campo magnético externo, lo que limita en gran medida sus aplicaciones más amplias.
En un nuevo informe publicado en Science Advances, Yuzhu Song y un equipo de investigadores formaron biskyrmions magnéticos espontáneos de alta densidad sin un campo magnético en ferrimagnetos mediante la expansión térmica de la red.
El equipo observó una fuerte conexión entre la estructura ferrimagnética a escala atómica y los dominios magnéticos a escala nanométrica en un compuesto de ferrimagneto utilizando la difracción de neutrones en polvo y la microscopía electrónica de transmisión de Lorentz.
Song y su equipo exploraron el papel crítico de la expansión térmica negativa en la generación de biskyrmions en el compuesto ferrimagnético debido a los efectos de acoplamiento magnetoelástico, para comparar el comportamiento del material con la expansión térmica positiva.
Los skyrmions magnéticos son estructuras de dominio magnético a escala nanométrica con protección topológica. Sus características únicas, su pequeño tamaño y el menor consumo de energía, junto con su comportamiento impulsado por corriente eléctrica, los convierten en candidatos prometedores para aplicaciones en dispositivos de almacenamiento espintrónico.
Desde su descubrimiento en 2009, los skyrmions magnéticos han entrado en un período de rápido desarrollo. Los científicos de materiales y los físicos han encontrado que las estructuras de espín topológico contienen diversas cargas topológicas, que incluyen skyrmions, biskyrmions, anti-skyrmions, merones y antimerones. La competencia entre las interacciones dipolares magnéticas y la anisotropía magnética uniaxial generalmente determina la generación de biskyrmions.
En este trabajo, el equipo de investigación propuso la estabilización de biskyrmions magnéticos espontáneos de alta densidad en un amplio rango de temperaturas investigando la expansión térmica negativa de una red, en comparación con un compuesto ferrimagnético metálico a granel compuesto por un sistema de holmio-cobalto [Ho (Co, Fe) 3].
El equipo estudió comparativamente el compuesto caracterizando la expansión térmica positiva y el mecanismo de expansión térmica negativa, para comprender la estabilidad de los biskyrmions magnéticos dentro del imán de tierras raras (HoCo3).
El equipo de investigación obtuvo primero las estructuras cristalinas y magnéticas del compuesto magnético realizando medidas de difracción de neutrones en polvo dependientes de la temperatura variable. Observaron una variación distinta de la intensidad del perfil del material en diversos rangos de temperatura y mostraron la expresión de cambios estructurales magnéticos complejos.
Song y su equipo determinaron la estructura cristalina del material y exploraron los momentos magnéticos del elemento de tierras raras holmio (Ho) que constituye el compuesto, junto con el átomo del metal de transición cobalto (Co).
El momento magnético del ferrimagneto giró con temperaturas variables para crear un fenómeno conocido como reorientación del espín, lo que les permitió medir el proceso de magnetización dependiente de la temperatura. Cuando las temperaturas superaron los ~425 K, la estructura magnética asumió un estado paramagnético desordenado. Los resultados de la estructura magnética se ajustaron bien a los datos de difracción de neutrones en polvo en todas las temperaturas.
Los científicos resumieron la evolución dependiente de la temperatura de los parámetros magnéticos y estructurales del ferrimagneto en todo el rango de temperaturas. Observaron la expansión de una celda unidad de un compuesto magnético con el aumento de la temperatura debido a las vibraciones de la red anarmónica. También realizaron estudios adicionales de difracción de neutrones en polvo para calcular los componentes magnéticos y los momentos magnéticos totales de los átomos de holmio y cobalto que constituyen el compuesto.
El equipo exploró el orden magnético complejo en el sistema ferrimagnético de holmio-cobalto calculando las estructuras de bandas y los estados de densidad del compuesto mediante primeros principios. Al igual que con muchos sistemas de tierras raras, las interacciones Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) subyacen a la magnetismo complejo del ferrimagneto.
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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