Nella meccanica classica, le particelle sono rappresentate da masse puntiformi o corpi rigidi, e nella teoria dei campi da eccitazioni o vibrazioni simili a onde. Gli skyrmioni magnetici sono piccoli, trame di spin simili a vortici di origine topologica che si trovano in una varietà di materiali magnetici, e caratterizzato da lunga durata. Sono stati scoperti per la prima volta nel 2009. Nei magneti chirali, skyrmion e cristalli skyrmion (SkX) mostrano proprietà fisiche uniche grazie alla loro stabilità a densità di corrente ultrabassa. Spiegare la stabilità di tali particelle non è banale; però, le particelle possono essere descritte come topologicamente protette da piccole perturbazioni e decadimenti. Queste proprietà possono essere vantaggiose per potenziali applicazioni degli skyrmioni come portatori di informazioni nelle memorie magnetiche per l'archiviazione e l'elaborazione. Gli skyrmioni si formano nei sistemi magnetici attraverso una varietà di meccanismi, alcuni dei quali lavorano insieme.

I meccanismi includono l'interazione Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), interazione di scambio frustrata, interazioni magnetiche dipolari a lungo raggio e interazioni di scambio a quattro spin, caratterizzato dal diametro della struttura skyrmion risultante. Ad esempio, magneti chirali con un'interazione antisimmetrica tra gli spin, noto come DMI, può formare un cristallo skyrmion a reticolo triangolare (SkX). Nello specifico, un DMI finito può sorgere a causa della rottura della simmetria di inversione alle interfacce di strati di film sottili o in materiali sfusi con strutture chirali o polari.

Nei sistemi metallici, l'esistenza di un'interazione chirale è stata inizialmente dimostrata per le leghe disordinate. Skyrmioni basati su DMI sono stati recentemente osservati in leghe Co-Zn-Mn con struttura cubica chirale di tipo β-Mn, dove la cella unitaria contiene 20 atomi distribuiti su due siti cristallografici non equivalenti. Ora scrivendo Progressi scientifici , Kosuke Karube e collaboratori riportano il sistema di composizione intermedio Co ₇ Zn ₇ mn ₆ come un ospite unico di due disconnessi, fasi topologiche dello skyrmion.

Secondo il rapporto, una fase è un convenzionale cristallo skyrmion stabilizzato dalle fluttuazioni termiche e limitato ad esistere appena al di sotto della temperatura di transizione magnetica (T _C ), considerando che la seconda fase è una nuova fase cristallina di skyrmion disordinata tridimensionalmente che è stabile ben al di sotto di T _C . La stabilità di questa nuova fase skyrmion disordinata è stata attribuita a un'interazione cooperativa tra il magnetismo chirale con il DMI e il magnetismo frustrato inerente alla struttura β-Mn.

Gli Skyrmioni possono essere tipicamente osservati mediante scattering di neuroni a piccolo angolo (SANS) e con tecniche di microscopia nello spazio reale. Nei magneti chirali, l'effetto del DMI torce gradualmente i momenti accoppiati ferromagneticamente per formare uno stato fondamentale elicoidale. Nello studio, gli autori hanno riportato un comportamento simile per una fase di vetro di spin sintomatico di magnetismo frustrato esistente a basse temperature in un'ampia gamma di composizioni di Mn per leghe Co-Zn-Mn. La fase vetrosa ha invaso lo stato fondamentale elicoidale per mostrare la tipica transizione metallo-isolante che indica la coesistenza microscopica delle due fasi. Per indagare l'influenza meccanicistica delle interazioni di scambio frustrate sulle strutture di spin elicoidali e topologiche, gli autori si sono concentrati su Co ₇ Zn ₇ mn ₆ con T _C ~ 160 K e temperatura di transizione vetrosa di spin T _G ~ 30 K. Nello studio, sono state eseguite ulteriori misurazioni di SANS, magnetizzazione, suscettibilità al campo magnetico in corrente alternata (ac) e microscopia elettronica a trasmissione di Lorentz (LTEM) del materiale.

Gli scienziati hanno riassunto le loro scoperte in un diagramma di fase per mostrare due distinti, fasi di equilibrio skyrmion. Una fase SkX convenzionale leggermente al di sotto di T _C e una nuova fase di skyrmion disordinata (DSK) vicino a T _G .

Nel processo di decremento del campo che è stato successivamente osservato, la nuova fase è stata spenta come stato metastabile fino al raffreddamento a campo zero (ZFC). I risultati dello studio sono stati corroborati riassumendo la relazione tra le strutture magnetiche dello spazio reale con i corrispondenti modelli SANS registrati nello studio.

Le osservazioni nello spazio reale sono state condotte con misurazioni di microscopia elettronica a trasmissione di Lorentz (LTEM). Nella corsa ad incremento di campo a 135 K da zero field cooling (ZFC), è stata osservata la transizione da uno stato elicoidale (H) a uno stato SkX convenzionale. A 50K, è stato osservato uno stato elicoidale disordinato, e al contrario a un campo magnetico di 0,2 T, diversi chiusi, sono stati chiaramente osservati oggetti puntiformi assegnati a skyrmion. L'osservazione dei DSK nelle immagini LTEM è stata spiegata come una caratteristica intrinseca del materiale, coerente con i corrispondenti modelli SANS osservati nello studio.

Lo studio ha indagato collettivamente la possibile origine della nuova fase DSK, poiché le fasi dello skyrmione sono generalmente stabilizzate da fluttuazioni critiche o termiche quantistiche. Nel presente studio sono stati trovati due tipi di fluttuazioni per promuovere la stabilità di fase topologica in Co ₇ Zn ₇ mn ₆ , comprese le fluttuazioni termiche e le fluttuazioni indotte dalla frustrazione. In questo modo, lo skyrmion governato da DMI ha dimostrato un nuovo meccanismo per la stabilità topologica in Co ₇ Zn ₇ mn ₆ .

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