Na mecânica clássica, as partículas são representadas por massas pontuais ou corpos rígidos, e na teoria de campo por excitações ou vibrações semelhantes a ondas. Skyrmions magnéticos são pequenos, texturas de spin semelhantes a vórtices de origem topológica encontradas em uma variedade de materiais magnéticos, e caracterizado por uma longa vida útil. Eles foram descobertos pela primeira vez em 2009. Em ímãs quirais, skyrmions e cristais skyrmion (SkX) mostram propriedades físicas únicas devido à sua estabilidade em densidade de corrente ultrabaixa. Explicar a estabilidade de tais partículas não é trivial; Contudo, as partículas podem ser descritas como protegidas topologicamente contra pequenas perturbações e decadência. Essas propriedades podem ser vantajosas para aplicações potenciais de skyrmions como portadores de informações em memórias magnéticas para armazenamento e processamento. Skyrmions são formados em sistemas magnéticos por meio de uma variedade de mecanismos, alguns dos quais trabalham juntos.

Os mecanismos incluem a interação Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), interação de troca frustrada, interações dipolares magnéticas de longo alcance e interações de troca de quatro spin, caracterizado pelo diâmetro da estrutura skyrmion resultante. Por exemplo, ímãs quirais com uma interação anti-simétrica entre os spins, conhecido como DMI, pode formar um cristal de skyrmion de rede triangular (SkX). Especificamente, um DMI finito pode surgir devido à simetria de inversão quebrada em interfaces de camadas de filme fino ou em materiais a granel com estruturas quirais ou polares.

Em sistemas metálicos, a existência de uma interação quiral foi demonstrada pela primeira vez para ligas desordenadas. Skyrmions baseados em DMI foram recentemente observados em ligas Co-Zn-Mn com a estrutura cúbica quiral do tipo β-Mn, onde a célula unitária contém 20 átomos distribuídos em dois sítios cristalográficos inequivalentes. Agora escrevendo em Avanços da Ciência , Kosuke Karube e colegas de trabalho relatam o sistema de composição intermediária Co ₇ Zn ₇ Mn ₆ como um host único de dois desconectados, fases topológicas do skyrmion.

De acordo com o relatório, uma fase é um cristal skyrmion convencional estabilizado por flutuações térmicas e restrito a existir logo abaixo da temperatura de transição magnética (T _c ), enquanto a segunda fase é uma nova fase de cristal de skyrmion tridimensionalmente desordenada que é estável bem abaixo de T _c . A estabilidade desta nova fase de skyrmion desordenada foi atribuída a uma interação cooperativa entre o magnetismo quiral com o DMI e o magnetismo frustrado inerente à estrutura β-Mn.

Skyrmions podem ser tipicamente observados por espalhamento de neurônios de pequeno ângulo (SANS) e com técnicas de microscopia no espaço real. Em ímãs quirais, o efeito do DMI torce gradualmente os momentos acoplados ferromagneticamente para formar um estado fundamental helicoidal. No estudo, os autores relataram comportamento semelhante para uma fase de vidro de spin sintomática de magnetismo frustrado existente em baixas temperaturas em uma ampla gama de composições de Mn para ligas de Co-Zn-Mn. A fase de vidro invadiu o estado fundamental helicoidal para exibir a transição metal-isolante típica, indicando a coexistência microscópica das duas fases. Para investigar a influência mecanicista das interações de troca frustradas nas estruturas helicoidais e topológicas de spin, os autores se concentraram em Co ₇ Zn ₇ Mn ₆ com T _c ~ 160 K e temperatura de transição de vidro de rotação T _g ~ 30 K. No estudo, outras medições foram realizadas de SANS, magnetização, susceptibilidade ao campo magnético de corrente alternada (ac) e microscopia eletrônica de transmissão de Lorentz (LTEM) do material.

Os cientistas resumiram suas descobertas em um diagrama de fases para mostrar duas fases de equilíbrio do skyrmion. Uma fase SkX convencional ligeiramente abaixo de T _c e uma nova fase de fase desordenada do skyrmion (DSK) perto de T _g .

No processo de diminuição de campo que foi posteriormente observado, a nova fase foi extinta como um estado metaestável até o resfriamento de campo zero (ZFC). Os resultados do estudo foram substanciados resumindo a relação entre as estruturas magnéticas do espaço real com os padrões SANS correspondentes registrados no estudo.

As observações em espaço real foram realizadas com medições de microscopia eletrônica de transmissão de Lorentz (LTEM). Na corrida de aumento de campo a 135 K de resfriamento de campo zero (ZFC), a transição de um estado helicoidal (H) para um estado SkX convencional foi observada. A 50 K, um estado helicoidal desordenado foi observado, e em contraste com um campo magnético de 0,2 T, vários fechados, objetos semelhantes a pontos atribuídos a skyrmions foram claramente observados. A observação de DSKs nas imagens LTEM foi explicada como uma característica inerente do material, consistente com os padrões SANS correspondentes observados no estudo.

O estudo investigou coletivamente a possível origem da nova fase DSK, uma vez que as fases do skyrmion são geralmente estabilizadas por flutuações quânticas ou térmicas. Dois tipos de flutuações foram encontradas no presente estudo para promover a estabilidade da fase topológica em Co. ₇ Zn ₇ Mn ₆ , incluindo flutuações térmicas e flutuações induzidas por frustração. Desta maneira, o skyrmion governado por DMI demonstrou um novo mecanismo para estabilidade topológica em Co ₇ Zn ₇ Mn ₆ .

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