En la mecánica clásica, las partículas están representadas por masas puntuales o cuerpos rígidos, y en la teoría de campos por excitaciones o vibraciones ondulatorias. Los skyrmions magnéticos son pequeños, texturas de espín tipo vórtice de origen topológico que se encuentran en una variedad de materiales magnéticos, y caracterizado por una larga vida útil. Fueron descubiertos por primera vez en 2009. En imanes quirales, Los skyrmions y los cristales de skyrmion (SkX) muestran propiedades físicas únicas debido a su estabilidad a una densidad de corriente ultrabaja. Explicar la estabilidad de tales partículas no es trivial; sin embargo, las partículas pueden describirse como protegidas topológicamente contra pequeñas perturbaciones y descomposición. Estas propiedades pueden ser ventajosas para aplicaciones potenciales de skyrmions como portadores de información en memorias magnéticas para almacenamiento y procesamiento. Los Skyrmions se forman en sistemas magnéticos a través de una variedad de mecanismos, algunos de los cuales trabajan juntos.

Los mecanismos incluyen la interacción Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), interacción de intercambio frustrada, Interacciones dipolares magnéticas de largo alcance e interacciones de intercambio de cuatro espines, caracterizado por el diámetro de la estructura skyrmion resultante. Por ejemplo, imanes quirales con una interacción antisimétrica entre los espines, conocido como el DMI, puede formar un cristal de skyrmion de celosía triangular (SkX). Específicamente, una DMI finita puede surgir debido a una simetría de inversión rota en las interfaces de capas de película delgada o en materiales a granel con estructuras quirales o polares.

En sistemas metálicos, la existencia de una interacción quiral se demostró por primera vez para las aleaciones desordenadas. Skyrmions basados ​​en DMI se observaron recientemente en aleaciones de Co-Zn-Mn con la estructura cúbica quiral de tipo β-Mn, donde la celda unitaria contiene 20 átomos distribuidos en dos sitios cristalográficos desiguales. Ahora escribiendo en Avances de la ciencia , Kosuke Karube y sus colaboradores informan sobre el sistema de composición intermedia Co ₇ Zn ₇ Minnesota ₆ como un anfitrión único de dos desconectados, fases topológicas de skyrmion.

Según el informe, una fase es un cristal skyrmion convencional estabilizado por fluctuaciones térmicas y restringido a existir justo debajo de la temperatura de transición magnética (T _C ), mientras que la segunda fase es una nueva fase cristalina de skyrmion desordenada tridimensionalmente que es estable muy por debajo de T _C . La estabilidad de esta nueva fase de skyrmion desordenada se atribuyó a una interacción cooperativa entre el magnetismo quiral con el DMI y el magnetismo frustrado inherente a la estructura de β-Mn.

Los Skyrmions se pueden observar típicamente mediante dispersión de neuronas de ángulo pequeño (SANS) y con técnicas de microscopía en el espacio real. En imanes quirales, el efecto de DMI tuerce gradualmente momentos acoplados ferromagnéticamente para formar un estado fundamental helicoidal. En el estudio, los autores informaron un comportamiento similar para una fase de vidrio de hilado sintomática de magnetismo frustrado existente a bajas temperaturas en una amplia gama de composiciones de Mn para aleaciones de Co-Zn-Mn. La fase de vidrio invadió el estado fundamental helicoidal para mostrar la típica transición de metal-aislante que indica la coexistencia microscópica de las dos fases. Para investigar la influencia mecanicista de las interacciones de intercambio frustradas en las estructuras de espín helicoidales y topológicas, los autores se centraron en Co ₇ Zn ₇ Minnesota ₆ con T _C ~ 160 K y temperatura de transición vítrea de centrifugado T _gramo ~ 30 K. En el estudio, se realizaron más mediciones de SANS, magnetización, susceptibilidad al campo magnético de corriente alterna (CA) y microscopía electrónica de transmisión de Lorentz (LTEM) del material.

Los científicos resumieron sus hallazgos en un diagrama de fases para mostrar dos equilibrio de las fases del skyrmion. Una fase SkX convencional ligeramente por debajo de T _C y una nueva fase de skyrmion desordenada (DSK) cerca de T _gramo .

En el campo proceso decreciente que se observó posteriormente, la nueva fase se apagó como un estado metaestable hasta enfriamiento de campo cero (ZFC). Los hallazgos del estudio se sustentaron resumiendo la relación entre las estructuras magnéticas del espacio real con los correspondientes patrones SANS registrados en el estudio.

Las observaciones en el espacio real se realizaron con mediciones de microscopía electrónica de transmisión de Lorentz (LTEM). En la carrera de aumento de campo a 135 K desde enfriamiento de campo cero (ZFC), Se observó la transición de un estado helicoidal (H) a un estado SkX convencional. A 50 K, se observó un estado helicoidal desordenado, y en contraste con un campo magnético de 0.2 T, varios cerrados, Se observaron claramente objetos con forma de puntos asignados a skyrmions. La observación de DSK en las imágenes LTEM se explicó como una característica inherente del material, coherente con los patrones SANS correspondientes observados en el estudio.

El estudio investigó colectivamente el posible origen de la nueva fase DSK, ya que las fases de skyrmion generalmente se estabilizan por fluctuaciones térmicas o críticas cuánticas. En el presente estudio se encontraron dos tipos de fluctuaciones para promover la estabilidad de fase topológica en Co ₇ Zn ₇ Minnesota ₆ , incluidas las fluctuaciones térmicas y las fluctuaciones inducidas por la frustración. De este modo, el skyrmion gobernado por DMI demostró un mecanismo novedoso para la estabilidad topológica en Co ₇ Zn ₇ Minnesota ₆ .

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