Generazione di biskyrmions in un magnete delle terre rare

16 settembre 2023 caratteristica

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di Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Gli skyrmion magnetici hanno ricevuto molta attenzione come promettenti quasiparticelle topologicamente protette con applicazioni nello spintronics. Gli skyrmion sono piccole eccitazioni magnetiche topologiche che si muovono vorticose con proprietà simili a quelle delle particelle. Tuttavia, la minore stabilità degli skyrmion magnetici permette loro di esistere solo in un intervallo di temperatura limitato, con bassa densità delle particelle, implicando quindi la necessità di un campo magnetico esterno, che limita notevolmente le loro applicazioni più ampie. 

In un nuovo rapporto pubblicato su Science Advances, Yuzhu Song e un gruppo di ricercatori hanno formato biskyrmion magnetici spontanei ad alta densità senza un campo magnetico in ferrimagneti mediante l'espansione termica del reticolo.

Il team ha osservato una forte connessione tra la struttura ferrimagnetica su scala atomica e i domini magnetici su scala nanometrica in un composto ferrimagnetico utilizzando misure di diffrazione dei neutroni in polvere e microscopia elettronica a trasmissione di Lorentz.

Song e il team hanno esplorato il ruolo critico dell'espansione termica negativa nella generazione di biskyrmion nel composto ferrimagnetico a causa degli effetti di accoppiamento magneto-elastico, per confrontare il comportamento del materiale con l'espansione termica positiva.

Gli skyrmion magnetici sono strutture di domini magnetici nano-scala con protezione topologica. Le loro caratteristiche uniche e la dimensione ridotta, insieme al consumo energetico inferiore e al comportamento guidato dalla corrente elettrica, li rendono promettenti candidati per applicazioni nei dispositivi di memoria spintronica.

Dal loro scoperta nel 2009, gli skyrmion magnetici sono entrati in un periodo di sviluppo rapido. I materiali scienziati e i fisici hanno scoperto che le strutture di spin topologiche contengono diverse cariche topologiche, tra cui skyrmion, biskyrmion, anti-skyrmion, merone e antimerone. La competizione tra le interazioni dei dipoli magnetici e l'anisotropia magnetica uniaxial di solito determina la generazione di biskyrmion.

In questo lavoro, il team di ricerca ha proposto la stabilizzazione di biskyrmion magnetici spontanei ad alta densità su un'ampia gamma di temperature mediante l'indagine dell'espansione termica negativa di un reticolo, confrontata con un composto ferrimagnetico metallico sfuso composto da un sistema di olmio-cobalto [Ho (Co, Fe) 3].

Il team ha studiato comparativamente il composto caratterizzando l'espansione termica positiva e il meccanismo di espansione termica negativa, per comprendere la stabilità dei biskyrmion magnetici all'interno del magnete delle terre rare (HoCo3).

Il team di ricerca ha prima ottenuto le strutture cristalline e magnetiche del composto magnetico eseguendo misurazioni di diffrazione dei neutroni in polvere dipendenti dalla temperatura variabile. Hanno osservato una variazione netta dell'intensità del profilo del materiale in diverse gamme di temperatura e hanno dimostrato l'espressione di complesse modifiche strutturali magnetiche.

Song e il team hanno determinato la struttura cristallina del materiale ed esplorato i momenti magnetici dell'elemento delle terre rare olmio (Ho) che costituisce il composto, insieme all'atomo di metallo di transizione cobalto (Co).

Il momento magnetico del ferrimagnete ruotava con temperature variabili per creare un fenomeno noto come reinterpretazione dello spin, consentendo loro di misurare la dipendenza dalla temperatura del processo di magnetizzazione. Quando la temperatura superava ~ 425 K, la struttura magnetica assumeva uno stato paramagnetico disordinato. I risultati della struttura magnetica si adattavano bene ai dati di diffrazione dei neutroni in polvere a tutte le temperature.

Gli scienziati hanno riassunto l'evoluzione dipendente dalla temperatura dei parametri magnetici e strutturali del ferrimagnete in un'intera gamma di temperature. Hanno notato l'espansione di una cella unitaria di un composto magnetico con l'aumento della temperatura a causa delle vibrazioni del reticolo anarmoniche. Hanno anche condotto ulteriori studi di diffrazione dei neutroni in polvere per calcolare le componenti magnetiche e i momenti magnetici totali degli atomi di olmio e cobalto costituenti.

Il team ha esplorato l'ordinamento magnetico complesso nel sistema ferrimagnetico olmio-cobalto calcolando le strutture di banda e gli stati di densità del composto tramite primi principi. Come molti sistemi di terre rare, le interazioni Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) sottostanno al magnetismo complesso del ferrimagnete.

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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