Génération de biskyrmions dans un aimant aux terres rares.

16 septembre 2023

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par Thamarasee Jeewandara, Phys.org

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

Dans un nouveau rapport publié dans Science Advances, Yuzhu Song et une équipe de chercheurs ont formé des biskyrmions magnétiques spontanés à haute densité sans champ magnétique dans des ferrimagnétiques par l'expansion thermique de la structure cristalline.

L'équipe a remarqué une forte connexion entre la structure ferrimagnétique à l'échelle atomique et les domaines magnétiques à l'échelle nanométrique dans un composé de ferrimagnétisme en utilisant la diffraction des neutrons en poudre et la microscopie électronique en transmission de Lorentz.

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

Les skyrmions magnétiques sont des structures de domaine magnétique à l'échelle nanométrique avec une protection topologique. Leurs caractéristiques uniques et leur petite taille, ainsi que la consommation d'énergie inférieure associée à un comportement entraîné par le courant électrique, en font des candidats prometteurs pour des applications dans les dispositifs de stockage spintronique.

Depuis leur découverte en 2009, les skyrmions magnétiques ont connu une période de développement rapide. Les scientifiques des matériaux et les physiciens ont découvert que les structures de spin topologiques contiennent diverses charges topologiques, qui incluent des skyrmions, des biskyrmions, des anti-skyrmions, des mérions et des antimérions. 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 à haute densité sur une large plage de températures en étudiant l'expansion thermique négative d'une structure cristalline, par rapport à un composé ferrimagnétique métallique en vrac composé d'un système holmium-cobalt [Ho(Co,Fe)3].

L'équipe a comparativement étudié le composé en caractérisant l'expansion thermique positive et le mécanisme de l'expansion thermique négative, afin de comprendre la stabilité des biskyrmions magnétiques dans le matériau magnétique des terres rares (HoCo3).

L'équipe de recherche a d'abord obtenu la structure cristalline et magnétique du composé magnétique en effectuant des mesures de diffraction des neutrons en poudre dépendantes de la température variable. Ils ont observé une variation distincte de l'intensité du profil du matériau à travers diverses plages de température et ont montré l'expression de changements de structure magnétique complexes.

Song et son équipe ont déterminé la structure cristalline du matériau et exploré les moments magnétiques de l'élément terres rares holmium (Ho) constituant le composé, ainsi que l'atome de métal de transition cobalt (Co).

Le moment magnétique du ferrimagnétique a tourné avec des températures variables pour créer un phénomène connu sous le nom de réorientation du spin, leur permettant de mesurer le dépendance de la température du processus de magnétisation. Lorsque les températures dépassaient environ 425 K, la structure magnétique assumait un état paramagnétique désordonné. Les résultats de la structure magnétique s'accordaient bien avec les données de diffraction des neutrons en poudre à toutes les températures.

Les scientifiques ont résumé l'évolution dépendante de la température des paramètres magnétiques et structuraux du ferrimagnétique dans toute la plage de température. Ils ont noté l'expansion d'une maille d'un composé magnétique avec l'augmentation de la température due aux vibrations anharmoniques du réseau. Ils ont également mené des études supplémentaires de diffraction des neutrons en 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 avec de nombreux systèmes de terres rares, les interactions Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) sous-tendent le magnétisme complexe du ferrimagnétique.

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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