Gauche :paire skyrmion-antiskyrmion prédite à l'aide de simulations micromagnétiques et d'une image TEM de Lorentz simulée correspondante dans le régime de surfocalisation. Les isosurfaces correspondent aux positions des vecteurs d'aimantation se trouvant dans le plan du film. La couleur indique la direction des vecteurs d'aimantation dans le plan. Droite :Image TEM expérimentale de Lorentz d'une paire skyrmion-antiskyrmion enregistrée dans les mêmes conditions que l'image simulée. Les taches claires et sombres correspondent respectivement à un skyrmion et à un antiskyrmion. Crédit :Zheng et al.
Les particules et les antiparticules correspondantes sont de petites unités de matière qui ont la même masse mais des charges électriques opposées. Typiquement, ces unités de matière de charge électrique opposée ont tendance à s'annihiler.
Des études ont prédit que le même comportement devrait également être observé dans les solitons magnétiques avec des charges topologiques opposées. Les solitons magnétiques, ou ondes solitaires, sont des textures de spin localisées qui conservent leur forme tout en se propageant à vitesse constante et se distinguent par leur charge topologique Q.
Sur la base des prédictions théoriques, les solitons magnétiques avec des valeurs Q opposées devraient continuellement fusionner et s'annihiler. Cela inclut les skyrmions et les antiskyrmions, des textures magnétiques topologiques tourbillonnantes qui sont réalisées sous forme de particules émergentes dans des aimants.
Des chercheurs du Forschungszentrum Jülich et du JARA en Allemagne, en coopération avec le KTH Stockholm et l'Université d'Uppsala en Suède, ont récemment réalisé l'une des premières expériences visant à tester ces prédictions. Leur article, publié dans Nature Physics , démontre la création et l'annihilation de paires skyrmion-antiskyrmion dans un aimant chiral cubique.
"Au cours des dernières années, nous avons étudié de manière intensive les solitons magnétiques dans des aimants chiraux dans le but de révéler leurs propriétés de type particule", a déclaré Nikolai Kiselev, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à Phys.org. "Le type de soliton le plus connu dans ces matériaux est un skyrmion chiral magnétique. Nous avons accumulé une vaste expérience dans l'étude d'un alliage particulier de FeGe, qui est un exemple représentatif d'une riche famille d'aimants chiraux avec un type B20. structure cristalline."
Initialement, Kiselev et ses collègues ont entrepris d'observer des sacs de skyrmions, des solitons magnétiques exotiques avec une charge topologique arbitraire, qui ont été prédits dans des travaux théoriques antérieurs. Pour cette expérience, les chercheurs ont fabriqué un film ultra-mince de l'aimant chiral cubique FeGe.
Cependant, tout en menant leurs expériences, les chercheurs ont dévoilé d'autres phénomènes intéressants, qu'ils ont finalement trouvés associés aux antiparticules de skyrmion. Dans leur nouvelle étude, ils ont utilisé une technique connue sous le nom de microscopie électronique à transmission (TEM), qui est la technique la plus établie pour l'observation et l'imagerie in situ des textures magnétiques dans des échantillons pouvant atteindre quelques centaines de nanomètres d'épaisseur.
"Le faisceau d'électrons incident qui traverse l'échantillon interagit avec le champ magnétique qui résulte des variations locales de magnétisation dans l'échantillon, permettant d'enregistrer le contraste magnétique avec une résolution spatiale nanométrique", a expliqué Kiselev. "Le contraste magnétique distinct des skyrmions et des antiskyrmions nous a permis de distinguer ces particules, ainsi que le processus de leur création et de leur annihilation."
Comme l'expliquent les chercheurs, l'un des ingrédients clés de l'observation réussie des antiskyrmions était leur utilisation d'une plaque FeGe exceptionnellement mince et de haute qualité (c'est-à-dire une plaque carrée de 1 μm x 1 μm de seulement 70 nm d'épaisseur). Cet échantillon a été préparé à l'aide d'une technique connue sous le nom de broyage par faisceau d'ions focalisé.
La forme de l'échantillon est importante et améliore la formation de parois de domaine "fermées" sur les bords de l'échantillon. Ce dernier est une condition préalable à la nucléation des antiskyrmions sous l'application à l'échantillon d'un champ magnétique externe.
"Avant nos travaux, on supposait généralement que les skyrmions et les antiskyrmions ne pouvaient pas coexister dans les aimants chiraux cubiques", a déclaré Kiselev. "Cependant, nos travaux théoriques et expérimentaux prouvent que c'est effectivement possible. La possibilité que les skyrmions et les antiskyrmions puissent coexister sur une large gamme de températures et de champs magnétiques appliqués a été négligée dans les études théoriques antérieures, y compris les nôtres."
Les découvertes recueillies par cette équipe de chercheurs pourraient inspirer davantage d'études sur les solitons magnétiques de différentes charges topologiques et d'une symétrie inconnue auparavant. À l'avenir, une telle diversité d'états de type particule pourrait ouvrir la voie à de nouvelles stratégies d'utilisation des solitons magnétiques dans les dispositifs spintroniques.
Cependant, pour explorer ces stratégies, les chercheurs devront d'abord mener des études systématiques des propriétés physiques des solitons magnétiques et trouver ou synthétiser de nouveaux matériaux dans lesquels des solitons magnétiques sont présents dans des conditions ambiantes.
"Notre travail suggère l'existence d'une grande diversité de solitons qui n'ont pas été observés expérimentalement jusqu'à présent", a ajouté Kiselev. "Nous prévoyons maintenant de trouver un protocole fiable pour recueillir des observations expérimentales de solitons exotiques tels que des sacs de skyrmions et d'autres solitons tridimensionnels connus sous le nom de hopfions. Des études préliminaires montrent que l'observation de tels solitons exotiques devrait être réalisable dans FeGe et d'autres matériaux. de cette classe."
© 2022 Réseau Science X Une nouvelle quasi-particule magnétique exotique, le « faisceau de skyrmions », rejoint un zoo topologique
