A sinistra:la coppia Skyrmion-antiskyrmion prevista utilizzando simulazioni micromagnetiche e un'immagine TEM di Lorentz simulata corrispondente nel regime di messa a fuoco eccessiva. Le isosuperfici corrispondono alle posizioni dei vettori di magnetizzazione che giacciono nel piano del film. Il colore indica la direzione dei vettori di magnetizzazione nel piano. A destra:immagine sperimentale Lorentz TEM di una coppia skyrmion-antiskyrmion registrata nelle stesse condizioni dell'immagine simulata. Le macchie luminose e scure corrispondono rispettivamente a uno skyrmion e a un antiskyrmion. Credito:Zheng et al.
Particelle corrispondenti e antiparticelle sono piccole unità di materia che hanno la stessa massa ma cariche elettriche opposte. Tipicamente, queste unità di materia con carica elettrica opposta tendono ad annientarsi a vicenda.
Gli studi hanno previsto che lo stesso comportamento dovrebbe essere osservato anche nei solitoni magnetici con cariche topologiche opposte. I solitoni magnetici, o onde solitarie, sono strutture di spin localizzate che mantengono la loro forma mentre si propagano a velocità costante e possono essere distinte per la loro carica topologica Q.
Sulla base di previsioni teoriche, i solitoni magnetici con valori Q opposti dovrebbero fondersi e annichilirsi continuamente. Ciò include skyrmion e antiskyrmion, trame magnetiche topologiche vorticose realizzate come particelle emergenti nei magneti.
I ricercatori del Forschungszentrum Jülich e del JARA in Germania, in collaborazione con KTH Stoccolma e l'Università di Uppsala in Svezia, hanno recentemente condotto uno dei primi esperimenti volti a testare queste previsioni. Il loro articolo, pubblicato su Nature Physics , dimostra la creazione e l'annientamento di coppie skyrmion-antiskyrmion in un magnete chirale cubico.
"Negli ultimi anni, abbiamo studiato intensamente i solitoni magnetici nei magneti chirali con l'obiettivo di rivelarne le proprietà simili a particelle", ha detto a Phys.org Nikolai Kiselev, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "Il tipo più noto di solitone in questi materiali è uno skyrmion chirale magnetico. Abbiamo accumulato una vasta esperienza nello studio di una particolare lega di FeGe, che è un esempio rappresentativo di una ricca famiglia di magneti chirali con un tipo B20 struttura cristallina."
Inizialmente, Kiselev e i suoi colleghi hanno deciso di osservare le sacche di skyrmion, solitoni magnetici esotici con una carica topologica arbitraria, che sono stati previsti in precedenti lavori teorici. Per questo esperimento, i ricercatori hanno fabbricato una pellicola ultrasottile del magnete chirale cubico FeGe.
Durante i loro esperimenti, tuttavia, i ricercatori hanno svelato altri fenomeni interessanti, che alla fine hanno scoperto essere associati alle antiparticelle di skyrmion. Nel loro nuovo studio, hanno utilizzato una tecnica nota come microscopia elettronica a trasmissione (TEM), che è la tecnica più consolidata per l'osservazione in situ e l'imaging di strutture magnetiche in campioni spessi fino a poche centinaia di nanometri.
"Il fascio di elettroni incidente che viaggia attraverso il campione interagisce con il campo magnetico che risulta dalle variazioni locali della magnetizzazione nel campione, consentendo di registrare il contrasto magnetico con una risoluzione spaziale nanometrica", ha spiegato Kiselev. "Il distinto contrasto magnetico di skyrmion e antiskyrmion ci ha permesso di distinguere queste particelle, così come il processo della loro creazione e annientamento."
Come spiegano i ricercatori, uno degli ingredienti chiave dietro l'osservazione di successo degli antiskyrmioni è stato il loro uso di una piastra FeGe eccezionalmente sottile e di alta qualità (cioè, una piastra quadrata di 1 μm x 1 μm di soli 70 nm di spessore). Questo campione è stato preparato utilizzando una tecnica nota come fresatura a fascio ionico focalizzato.
La forma del campione è importante e migliora la formazione di pareti di dominio "chiuse" ai bordi del campione. Quest'ultimo è un prerequisito per la nucleazione degli antiskyrmioni nell'ambito dell'applicazione al campione di un campo magnetico esterno.
"Prima del nostro lavoro, si presumeva comunemente che skyrmion e antiskyrmion non potessero coesistere nei magneti chirali cubici", ha detto Kiselev. "Tuttavia, il nostro lavoro teorico e sperimentale dimostra che è davvero possibile. La possibilità che skyrmion e antiskyrmion possano coesistere su un'ampia gamma di temperature e campi magnetici applicati è stata trascurata in studi teorici precedenti, incluso il nostro."
I risultati raccolti da questo team di ricercatori potrebbero ispirare più studi sui solitoni magnetici di diverse cariche topologiche e simmetria che non erano note prima. In futuro, una tale diversità di stati simili a particelle potrebbe aprire la strada a nuove strategie per utilizzare i solitoni magnetici nei dispositivi spintronici.
Per esplorare queste strategie, tuttavia, i ricercatori dovranno prima condurre studi sistematici sulle proprietà fisiche dei solitoni magnetici e trovare o sintetizzare nuovi materiali in cui sono presenti solitoni magnetici in condizioni ambientali.
"Il nostro lavoro suggerisce l'esistenza di un'ampia diversità di solitoni che finora non è stata osservata sperimentalmente", ha aggiunto Kiselev. "Ora abbiamo in programma di trovare un protocollo affidabile per raccogliere osservazioni sperimentali di solitoni esotici come borse skyrmion e altri solitoni tridimensionali noti come hopfioni. Studi preliminari mostrano che l'osservazione di tali solitoni esotici dovrebbe essere fattibile in FeGe e altri materiali di questa classe». + Esplora ulteriormente
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