Физики экспериментально подтвердили существование антискирмионов

Теоретическая модель решетки антискирмионов во внешнем магнитном поле

Ajaya K. Nayak et al./ Nature, 2017

Магнитный скирмион — квазичастица в магнитном материале, представляющая собой топологически устойчивый вихреподобный участок обратной намагниченности. В своей новой работе с помощью лоренцевской микроскопии физики из Германии смогли экспериментально подтвердить существование нового типа таких квазичастиц — антискирмионов, которое до этого предсказывалось лишь теоретически. Работа опубликована в Nature.

Впервые модель скирмиона была предложена в 1962 году Тони Скайрмом для описания барионов. Скирмион является одной из топологически устойчивых конфигураций поля в нелинейной сигма-модели. Предложенная теория предсказывала существование подобной конфигурации для различных типов полей, в частности, возможность образования магнитных скирмионов в магнитных материалах. Внутри скирмиона магнитный момент ориентирован в противоположном направлении по сравнению с остальным материалом. При этом, чтобы такая квазичастица была устойчивой, магнитная кристаллическая структура должна обладать нарушенной инверсионной симметрией. В зависимости от симметрии кристалла ученым ранее удавалось наблюдать два типа скирмионов — неелевские и блоховские скирмионы, названные так по характеру их доменных стенок. При этом теория предсказывала возможность образования еще одного типа скирмионов — антискирмиона, у которого участки неелевского и блоховского типа границ чередуются. В отличие от других магнитных скирмионов, антискирмионы обладают квадрупольным моментом магнитного заряда, что делает их перспективными, например, для спинтроники. Однако до сегодняшнего дня экспериментально такой тип скиримонов не наблюдался.

В своей новой работе немецким ученым удалось подтвердить существование антискирмиона экспериментально. Для этого они исследовали гейслеровские сплавы нескольких составов на основе структуры Mn1.4PtSn, которые обладают тетрагональной кристаллической структурой с симметрией группы D2d. Они интересны тем, что могут изменять свою форму и механические свойства в ответ на приложенное магнитное поле, а наличие симметрии D2d позволяло предположить возможность образования в них антискирмионов.

Лоренцевская просвечивающая электронная микроскопия показала, что при при приложении внешнего магнитного поля вдоль тетрагональной оси в изученном материале действительно образуется гексагональная решетка антискирмионов. Они оказались устойчивыми при температурах до 350 кельвинов, при этом ожидается, что они существуют и при более высоких температурах вплоть до температуры Кюри (для исследованных гейслеровских сплавов она составляет около 400 кельвинов). При повороте поля структура антискирмионов искажалась, а ядро квазичастиц смещалось из центра ячейки.


Ученые утверждают, что в дальнейшем возможность варьировать состав гейслеровских сплавов позволит контролировать свойства антискирмионов за счет изменения симметрии кристаллической структуры или числа валентных электронов.

Полученные результаты, вероятно, помогут упростить методики управления движения скирмионами. Теоретические исследования предсказывают, что антискирмионы при приложении тока будут двигаться по прямой линии, в отличие от обычных скиримионов, которые движутся по кривым. Раньше мы писали, что управлять движением скирмионов можно с помощью механического воздействия или используя свойства нескольких магнитных подрешеток в антиферромагнетиках.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.