Un estudio muestra que los skyrmions y los antiskyrmions pueden coexistir a diferentes temperaturas

Izquierda:par Skyrmion-antiskyrmion predicho usando simulaciones micromagnéticas y una imagen TEM de Lorentz simulada correspondiente en el régimen de sobreenfoque. Las isosuperficies corresponden a las posiciones de los vectores de magnetización que se encuentran en el plano de la película. El color indica la dirección de los vectores de magnetización en el plano. Derecha:Imagen experimental de Lorentz TEM de un par skyrmion-antiskyrmion registrada en las mismas condiciones que la imagen simulada. Los puntos claros y oscuros corresponden a un skyrmion y un antiskyrmion, respectivamente. Crédito:Zheng et al.

Las partículas y antipartículas coincidentes son pequeñas unidades de materia que tienen la misma masa pero cargas eléctricas opuestas. Por lo general, estas unidades de materia con carga eléctrica opuesta tienden a aniquilarse entre sí.

Los estudios han predicho que el mismo comportamiento también debería observarse en solitones magnéticos con cargas topológicas opuestas. Los solitones magnéticos, u ondas solitarias, son texturas de espín localizadas que mantienen su forma mientras se propagan a una velocidad constante y se pueden distinguir por su carga topológica Q.

Según las predicciones teóricas, los solitones magnéticos con valores Q opuestos deberían fusionarse y aniquilarse continuamente. Esto incluye skyrmions y antiskyrmions, texturas magnéticas topológicas giratorias que se realizan como partículas emergentes en imanes.

Investigadores de Forschungszentrum Jülich y JARA en Alemania en cooperación con KTH Estocolmo y la Universidad de Uppsala en Suecia han llevado a cabo recientemente uno de los primeros experimentos destinados a probar estas predicciones. Su artículo, publicado en Nature Physics , demuestra la creación y aniquilación de pares skyrmion-antiskyrmion en un imán quiral cúbico.

"Durante los últimos años, hemos estudiado intensamente los solitones magnéticos en imanes quirales con el objetivo de revelar sus propiedades similares a las partículas", dijo a Phys.org Nikolai Kiselev, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "El tipo de solitón más conocido en estos materiales es un skyrmion quiral magnético. Hemos acumulado una amplia experiencia en el estudio de una aleación particular de FeGe, que es un ejemplo representativo de una rica familia de imanes quirales con un tipo B20. estructura cristalina."

Inicialmente, Kiselev y sus colegas se propusieron observar bolsas de skyrmion, solitones magnéticos exóticos con una carga topológica arbitraria, que se habían predicho en trabajos teóricos anteriores. Para este experimento, los investigadores fabricaron una película ultrafina del imán quiral cúbico FeGe.

Sin embargo, mientras realizaban sus experimentos, los investigadores revelaron otros fenómenos interesantes, que finalmente descubrieron que estaban asociados con las antipartículas de skyrmion. En su nuevo estudio, utilizaron una técnica conocida como microscopía electrónica de transmisión (TEM), que es la técnica más establecida para la observación in situ y la obtención de imágenes de texturas magnéticas en muestras que tienen un grosor de unos pocos cientos de nanómetros.

"El haz de electrones incidente que viaja a través de la muestra interactúa con el campo magnético que resulta de las variaciones locales en la magnetización de la muestra, lo que permite registrar el contraste magnético con una resolución espacial nanométrica", explicó Kiselev. "El marcado contraste magnético de skyrmions y antiskyrmions nos permitió distinguir estas partículas, así como el proceso de su creación y aniquilación".

Como explican los investigadores, uno de los ingredientes clave detrás de la observación exitosa de antiskyrmions fue el uso de una placa FeGe excepcionalmente delgada y de alta calidad (es decir, una placa cuadrada de 1 μm x 1 μm de solo 70 nm de espesor). Esta muestra se había preparado utilizando una técnica conocida como fresado de haz de iones enfocado.

La forma de la muestra es importante y mejora la formación de paredes de dominio "cerradas" en los bordes de la muestra. Este último es un requisito previo para la nucleación de antiskyrmions bajo la aplicación a la muestra de un campo magnético externo.

"Antes de nuestro trabajo, se suponía comúnmente que los skyrmions y los antiskyrmions no podían coexistir en imanes quirales cúbicos", dijo Kiselev. "Sin embargo, nuestro trabajo teórico y experimental demuestra que sí es posible. La posibilidad de que los skyrmions y los antiskyrmions puedan coexistir en un amplio rango de temperaturas y campos magnéticos aplicados se pasó por alto en estudios teóricos anteriores, incluido el nuestro".

Los hallazgos recopilados por este equipo de investigadores podrían inspirar más estudios de solitones magnéticos de diferentes cargas topológicas y simetría que no se conocían antes. En el futuro, tal diversidad de estados similares a partículas puede allanar el camino hacia nuevas estrategias para usar solitones magnéticos en dispositivos espintrónicos.

Sin embargo, para explorar estas estrategias, los investigadores primero deberán realizar estudios sistemáticos de las propiedades físicas de los solitones magnéticos y encontrar o sintetizar nuevos materiales en los que los solitones magnéticos estén presentes en condiciones ambientales.

"Nuestro trabajo sugiere la existencia de una amplia diversidad de solitones que no se han observado experimentalmente hasta ahora", agregó Kiselev. "Ahora planeamos encontrar un protocolo confiable para recopilar observaciones experimentales de solitones exóticos como bolsas de skyrmion y otros solitones tridimensionales que se conocen como lúpulos. Los estudios preliminares muestran que la observación de estos solitones exóticos debería ser factible en FeGe y otros materiales. de esta clase". + Explora más