En mécanique classique, les particules sont représentées par des masses ponctuelles ou des corps rigides, et en théorie des champs par des excitations ondulatoires ou des vibrations. Les skyrmions magnétiques sont petits, textures de spin de type vortex d'origine topologique trouvées dans une variété de matériaux magnétiques, et caractérisé par une longue durée de vie. Ils ont été découverts pour la première fois en 2009. Dans les aimants chiraux, Les skyrmions et les cristaux de skyrmion (SkX) présentent des propriétés physiques uniques en raison de leur stabilité à une densité de courant ultra-faible. Expliquer la stabilité de telles particules n'est pas trivial; cependant, les particules peuvent être décrites comme étant topologiquement protégées contre les petites perturbations et la désintégration. Ces propriétés peuvent être avantageuses pour les applications potentielles des skyrmions en tant que supports d'informations dans les mémoires magnétiques pour le stockage et le traitement. Les skyrmions sont formés dans des systèmes magnétiques via une variété de mécanismes, dont certains travaillent ensemble.

Les mécanismes comprennent l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), interaction d'échange frustrée, interactions dipolaires magnétiques à longue distance et interactions d'échange à quatre spins, caractérisé par le diamètre de la structure skyrmion résultante. Par exemple, des aimants chiraux avec une interaction antisymétrique entre les spins, connu sous le nom de DMI, peut former un cristal skyrmion triangulaire (SkX). Spécifiquement, un DMI fini peut survenir en raison d'une rupture de symétrie d'inversion aux interfaces de couches minces ou dans des matériaux en vrac avec des structures chirales ou polaires.

Dans les systèmes métalliques, l'existence d'une interaction chirale a d'abord été démontrée pour des alliages désordonnés. Des skyrmions à base de DMI ont été récemment observés dans des alliages Co-Zn-Mn avec la structure cubique chirale de type β-Mn, où la maille élémentaire contient 20 atomes répartis sur deux sites cristallographiques inéquivalents. Maintenant en train d'écrire Avancées scientifiques , Kosuke Karube et ses collègues signalent le système de composition intermédiaire Co 7 Zn 7 Mn 6 en tant qu'hôte unique de deux déconnectés, phases topologiques de skyrmion.

Selon le rapport, une phase est un cristal skyrmion conventionnel stabilisé par des fluctuations thermiques et limité à exister juste en dessous de la température de transition magnétique (T c ), considérant que la deuxième phase est une nouvelle phase cristalline de skyrmion tridimensionnellement désordonnée qui est stable bien en dessous de T c . La stabilité de cette nouvelle phase désordonnée du skyrmion a été attribuée à une interaction coopérative entre le magnétisme chiral avec le DMI et le magnétisme frustré inhérent à la structure β-Mn.

Les skyrmions peuvent généralement être observés par diffusion de neurones aux petits angles (SANS) et avec des techniques de microscopie dans l'espace réel. Dans les aimants chiraux, l'effet du DMI tord progressivement les moments couplés ferromagnétiquement pour former un état fondamental hélicoïdal. Dans l'étude, les auteurs ont rapporté un comportement similaire pour une phase vitreuse de spin symptomatique d'un magnétisme frustré existant à basse température dans une large gamme de compositions de Mn pour les alliages Co-Zn-Mn. La phase vitreuse a envahi l'état fondamental hélicoïdal pour afficher une transition métal-isolant typique indiquant la coexistence microscopique des deux phases. Pour étudier l'influence mécaniste des interactions d'échange frustrés sur les structures de spin hélicoïdales et topologiques, les auteurs se sont concentrés sur Co 7 Zn 7 Mn 6 avec T c ~ 160 K et température de transition vitreuse de spin T g ~ 30 K. Dans l'étude, d'autres mesures ont été effectuées du SANS, magnétisation, susceptibilité au champ magnétique en courant alternatif (ca) et microscopie électronique à transmission de Lorentz (LTEM) du matériau.

Les scientifiques ont résumé leurs découvertes dans un diagramme de phases pour montrer deux phases d'équilibre de skyrmion. Une phase SkX conventionnelle légèrement en dessous de T c et une nouvelle phase de skyrmion désordonnée (DSK) près de T g .

Dans le processus de diminution du champ qui a été observé par la suite, la nouvelle phase a été trempée dans un état métastable jusqu'au refroidissement par champ zéro (ZFC). Les résultats de l'étude ont été corroborés en résumant la relation entre les structures magnétiques de l'espace réel et les modèles SANS correspondants enregistrés dans l'étude.

Des observations dans l'espace réel ont été réalisées avec des mesures de microscopie électronique à transmission (LTEM) de Lorentz. Dans le cycle d'augmentation du champ à 135 K à partir de zéro refroidissement du champ (ZFC), la transition d'un état hélicoïdal (H) à un état SkX conventionnel a été observée. A 50K, un état hélicoïdal désordonné a été observé, et en revanche à un champ magnétique de 0,2 T, plusieurs fermés, des objets en forme de points attribués aux skyrmions ont été clairement observés. L'observation des DSK dans les images LTEM a été expliquée comme une caractéristique inhérente au matériau, cohérent avec les modèles SANS correspondants observés dans l'étude.

L'étude a examiné collectivement l'origine possible de la nouvelle phase DSK, puisque les phases de skyrmion sont généralement stabilisées par des fluctuations quantiques critiques ou thermiques. Deux types de fluctuations ont été trouvés dans la présente étude pour favoriser la stabilité de la phase topologique dans Co 7 Zn 7 Mn 6 , y compris les fluctuations thermiques et les fluctuations induites par la frustration. De cette façon, le skyrmion régi par DMI a démontré un nouveau mécanisme de stabilité topologique dans Co 7 Zn 7 Mn 6 .

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