Scanning-tunneling-microscopie onthult de oorsprong van stabiele skyrmion-roosters

Scanning-tunneling-microscopie onthult de oorsprong van stabiele skyrmion-roosters

Figuur 1: De kristalstructuur van gadolinium-rutheniumsilicide, dat een vierkant rooster van wervelende magnetische skyrmionen kan bevatten (oranje = gadolinium; groen = ruthenium; blauw = silicium). Krediet: Y. Yasui et al. CC BY 4.0

RIKEN-natuurkundigen hebben ontdekt hoe interacties tussen elektronen een zich herhalende opstelling van wervelende magnetische patronen, bekend als skyrmions, kunnen stabiliseren, wat zou kunnen helpen om deze structuren verder te exploiteren.

De spin van een elektron zorgt ervoor dat het zich gedraagt ​​als een miniatuurmagneet. In een skyrmion zijn veel van deze spins gerangschikt in een wervelend patroon dat lijkt op een kleine tornado. Skyrmions zijn veelbelovend als middel om informatie te vervoeren in een nieuwe generatie apparaten voor gegevensopslag met hoge dichtheid en lage energie.

Skyrmions gedragen zich alsof het afzonderlijke deeltjes zijn, en meerdere skyrmions kunnen zichzelf rangschikken in een regelmatig raster binnen bepaalde soorten materiaal. Maar onderzoekers debatteren nog steeds over hoe deze stabiele skyrmion-roosters ontstaan.

Om meer te weten te komen over skyrmion-roosters, bestudeerden Yuuki Yasui van het RIKEN Center for Emergent Matter Science en collega’s een metallisch materiaal genaamd gadolinium ruthenium silicide (GdRu2Si2; Fig. 1). Elektronen in de gadoliniumatomen van het materiaal zijn grotendeels verantwoordelijk voor de magnetische eigenschappen, terwijl de rutheniumatomen ‘rondtrekkende’ elektronen bijdragen die mobieler zijn.

Het team had eerder ontdekt dat door een magnetisch veld op het materiaal aan te leggen, ze een vierkant rooster van skyrmionen konden creëren, gerangschikt in een rasterpatroon met intervallen van ongeveer 2 nanometer. In de nieuwe studie gebruikten ze een techniek genaamd spectroscopische beeldvorming scanning tunneling microscopie (SI-STM) om de rondtrekkende elektronen in GdRu2Si2 te bestuderen.

De onderzoekers koelden het materiaal af tot -271 graden Celsius en pasten een reeks magnetische velden toe om verschillende magnetische patronen te genereren. SI-STM-metingen toonden aan dat veranderingen in de magnetische patronen van het materiaal werden weerspiegeld in de distributie van rondtrekkende elektronen. Cruciaal was dat het team ook zag dat het skyrmion-roosterpatroon wordt afgedrukt op de rondtrekkende elektronen van het materiaal, vanwege interacties tussen de spins van gelokaliseerde en rondtrekkende elektronen.

De onderzoekers suggereren dat deze interacties een belangrijke rol zouden kunnen spelen bij de vorming van het vierkante skyrmion-rooster. “Het voorgestelde mechanisme stabiliseert skyrmion-roosters”, zegt Yasui.

Het team voerde ook theoretische berekeningen uit, gebaseerd op de interacties tussen gelokaliseerde en rondtrekkende elektronen, om de verdeling van rondtrekkende elektronen in het materiaal onder verschillende magnetische velden te voorspellen. Deze verdelingen leken sterk op de patronen die werden waargenomen door SI-STM en ondersteunden het door de onderzoekers voorgestelde mechanisme.

Naast het geven van aanwijzingen over hoe skyrmion-roosters worden gestabiliseerd, toont het onderzoek aan dat SI-STM kan worden gebruikt om indirect het gedrag van skyrmions te volgen. “Dit zou onderzoekers een handig hulpmiddel kunnen bieden om skyrmion-roosters in andere materialen te bestuderen”, zegt Yasui.


Meer informatie:
Yuuki Yasui et al. Het in beeld brengen van de koppeling tussen rondtrekkende elektronen en gelokaliseerde momenten in de centrosymmetrische skyrmion-magneet GdRu2Si2, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038 / s41467-020-19751-4

Geleverd door RIKEN

Nieuwste artikelen

spot_img

Related Stories

Leave A Reply

Vul alstublieft uw commentaar in!
Vul hier uw naam in