Estudo mostra que skyrmions e antiskyrmions podem coexistir em temperaturas diferentes

Esquerda:Par Skyrmion-antiskyrmion previsto usando simulações micromagnéticas e uma imagem TEM de Lorentz simulada correspondente no regime de foco excessivo. As isosuperfícies correspondem às posições dos vetores de magnetização que se encontram no plano do filme. A cor indica a direção dos vetores de magnetização no plano. Direita:Imagem experimental Lorentz TEM de um par skyrmion-antiskyrmion gravado nas mesmas condições da imagem simulada. As manchas claras e escuras correspondem a um skyrmion e um antiskyrmion, respectivamente. Crédito:Zheng et al.

Partículas e antipartículas correspondentes são pequenas unidades de matéria que têm a mesma massa, mas cargas elétricas opostas. Normalmente, essas unidades de matéria com carga elétrica oposta tendem a se aniquilar.
Estudos previram que o mesmo comportamento também deve ser observado em sólitons magnéticos com cargas topológicas opostas. Sólitons magnéticos, ou ondas solitárias, são texturas de spin localizadas que mantêm sua forma enquanto se propagam a uma velocidade constante e podem ser distinguidas por sua carga topológica Q.

Com base em previsões teóricas, sólitons magnéticos com valores de Q opostos devem se fundir e aniquilar continuamente. Isso inclui skyrmions e antiskyrmions, texturas magnéticas topológicas rodopiantes que são realizadas como partículas emergentes em ímãs.

Pesquisadores da Forschungszentrum Jülich e JARA na Alemanha, em cooperação com a KTH Estocolmo e a Universidade de Uppsala, na Suécia, realizaram recentemente um dos primeiros experimentos destinados a testar essas previsões. Seu artigo, publicado em Nature Physics , demonstra a criação e aniquilação de pares skyrmion-antiskyrmion em um ímã quiral cúbico.

“Nos últimos anos, estudamos intensamente sólitons magnéticos em ímãs quirais com o objetivo de revelar suas propriedades semelhantes a partículas”, disse Nikolai Kiselev, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "O tipo mais conhecido de sóliton nesses materiais é um skyrmion quiral magnético. Acumulamos uma vasta experiência no estudo de uma liga particular de FeGe, que é um exemplo representativo de uma rica família de ímãs quirais com um tipo B20 estrutura de cristal."

Inicialmente, Kiselev e seus colegas começaram a observar bolsas de skyrmion - sólitons magnéticos exóticos com uma carga topológica arbitrária, que foram previstos em trabalhos teóricos anteriores. Para este experimento, os pesquisadores fabricaram um filme ultrafino do ímã quiral cúbico FeGe.

Enquanto conduziam seus experimentos, no entanto, os pesquisadores revelaram outros fenômenos interessantes, que eles descobriram estar associados às antipartículas de skyrmion. Em seu novo estudo, eles usaram uma técnica conhecida como microscopia eletrônica de transmissão (TEM), que é a técnica mais estabelecida para observação in situ e imagens de texturas magnéticas em amostras com até algumas centenas de nanômetros de espessura.

"O feixe de elétrons incidente que percorre a amostra interage com o campo magnético que resulta de variações locais na magnetização da amostra, permitindo que o contraste magnético seja registrado com resolução espacial nanométrica", explicou Kiselev. "O contraste magnético distinto de skyrmions e antiskyrmions nos permitiu distinguir essas partículas, bem como o processo de sua criação e aniquilação."

Como os pesquisadores explicam, um dos principais ingredientes por trás da observação bem-sucedida de anticélulas foi o uso de uma placa de FeGe excepcionalmente fina e de alta qualidade (ou seja, placa quadrada de 1 μm x 1 μm de apenas 70 nm de espessura). Esta amostra foi preparada usando uma técnica conhecida como moagem de feixe de íons focados.

A forma da amostra é importante e aumenta a formação de paredes de domínio "fechadas" nas bordas da amostra. Este último é um pré-requisito para a nucleação de antiskyrmions sob a aplicação à amostra de um campo magnético externo.

"Antes de nosso trabalho, era comum supor que skyrmions e antiskyrmions não poderiam coexistir em ímãs quirais cúbicos", disse Kiselev. "No entanto, nosso trabalho teórico e experimental prova que é realmente possível. A possibilidade de que skyrmions e antiskyrmions possam coexistir em uma ampla faixa de temperaturas e campos magnéticos aplicados foi negligenciada em estudos teóricos anteriores, incluindo o nosso."

As descobertas reunidas por esta equipe de pesquisadores podem inspirar mais estudos de sólitons magnéticos de diferentes cargas topológicas e simetrias que antes não eram conhecidas. No futuro, tal diversidade de estados semelhantes a partículas pode abrir caminho para novas estratégias para usar sólitons magnéticos em dispositivos spintrônicos.

Para explorar essas estratégias, no entanto, os pesquisadores precisarão primeiro realizar estudos sistemáticos de propriedades físicas dos sólitons magnéticos e encontrar ou sintetizar novos materiais nos quais os sólitons magnéticos estejam presentes em condições ambientais.

"Nosso trabalho sugere a existência de uma grande diversidade de sólitons que não foram observados experimentalmente até agora", acrescentou Kiselev. "Agora planejamos encontrar um protocolo confiável para reunir observações experimentais de sólitons exóticos, como bolsas de skyrmion e outros sólitons tridimensionais conhecidos como hopfions. Estudos preliminares mostram que a observação de tais sólitons exóticos deve ser viável em FeGe e outros materiais desta classe”. + Explorar mais