El mundo que nos rodea parece caótico e impredecible, pero esto no es del todo cierto. Varios procesos son el fruto de la actividad de ciertos fenómenos físicos o químicos que obedecen a leyes sin cambios desde el principio de los tiempos. La curiosidad humana nos ha permitido responder muchas preguntas, para entender cómo, qué y por qué está sucediendo. Y cada vez es más difícil para los científicos obtener al menos una pequeña sorpresa durante su investigación. Pero sabemos lejos de todo, y lejos de todo es lo que parecía antes. Al lado de la letra, hoy nos familiarizaremos con un estudio en el que un grupo de científicos descubrió la presencia de la quiralidad de los skyrmions polares en el material que diseñaron. ¿Qué es inusual en esto? ¿Cómo difieren estos skyrmions de los magnéticos y por qué los científicos están tan interesados en estudiar este fenómeno? Encontraremos respuestas a estas y otras preguntas en el informe del grupo de investigación. Vamos
Base de estudio
En primer lugar, vale la pena recordar qué es un skyrmion y con qué se come. Anteriormente, ya hemos tocado el tema de los skyrmions en artículos anteriores:¿Qué es el skyrmion magnético?Para empezar, vale la pena recordar que los átomos de materiales magnéticos, que tienen su propio momento magnético de un electrón, se comportan como imanes, en palabras simples. Cuando una sustancia se magnetiza, las vueltas de los átomos se alinean de cierta manera, lo que hace que esta sustancia sea un imán.
En 2009, los investigadores descubrieron una característica muy fascinante de los átomos individuales. Sus espaldas estaban torcidas en embudos (vórtices). Una estructura similar se llamó skyrmion, en honor del físico británico Tony Skyrme, quien en 1962 describió un modelo matemático de giros de vórtice.
Imagen a - skyrmion "erizo", b - skyrmion espiral.Una de las características importantes de TI para skyrmions es su estabilidad topológica. La conclusión es que cualquier perturbación puede cambiar la dirección de los giros, pero el giro seguirá siendo el mismo. Por lo tanto, puede almacenar información en forma binaria: 0 - no hay skyrmion, 1 - hay un skyrmion. Y dado el tamaño nanométrico de tales estructuras, la densidad de almacenamiento de información también puede aumentar significativamente.
A partir de esta información, también se supuso la existencia de anti-skyrmions, cuya carga topológica será opuesta a la de los skyrmions ordinarios.
Las estructuras de giro bidimensionales tienen una topología no trivial, que es responsable de su cierto nivel de estabilidad. Dichas estructuras se caracterizan por una carga topológica:
donde
m = m (r, t) es el vector de dirección de los momentos magnéticos en el tiempo y el espacio.
Los skyrmions
(q = 1 ) y los anti-skyrmions (
q = -1 ) tienen cargas opuestas y pueden ocurrir en pares si se produce una deformación de un estado homogéneo (
q = 0 ). La descripción de la dinámica de skyrmions y anti-skyrmions se puede aproximar si el núcleo se considera inmóvil, lo que reduce el número requerido de variables para describir su movimiento.
La siguiente fórmula describe el movimiento girotrópico amortiguado de la posición del núcleo (X) de los skyrmions y anti-skyrmions en respuesta a la fuerza aplicada (F):
G, igual a -qG0z, es un vector giroscópico;
α es la constante de atenuación;
D0 es un factor estructural.La dinámica en la ecuación anterior no es newtoniana y, por lo tanto, la respuesta girotrópica depende de q y dicta la dirección en la que se mueve el núcleo.
Aquí vale la pena aclarar: los skyrmions polares son formaciones topológicas que consisten en cargas eléctricas opuestas, es decir, dipolos.
La característica más interesante es el hecho de que estas burbujas polares de skyrmion son análogos eléctricos de skyrmions magnéticos, pero no skyrmions magnéticos como tales. Mientras mejor estudiemos los skyrmions polares, más tendremos herramientas para manipularlos y, por lo tanto, herramientas para controlar la quiralidad e incluso la capacitancia negativa.
La investigación en el campo de la espintrónica y la skyrmionics está considerando activamente skyrmions magnéticos con precisión. Sin embargo, los skyrmions polares de este honor no fueron premiados.
¿Cómo llegaron los científicos al descubrimiento que estamos considerando hoy? El hecho es que las estructuras topológicas complejas son un gran lugar para estudiar y buscar fenómenos y fases exóticas que surgen en ellas. Los científicos, al cambiar las restricciones epitaxiales, descubrieron vesículas de skyrmion polar a temperatura ambiente en una capa de titanato de plomo (PbTiO
3 ) recubierto en ambos lados con capas de titanato de estroncio (SrTiO
3 ), en otras palabras, en la heteroestructura (PbTiO
3 )
n / (SrTiO
3 )
n .
Detrás de este estudio está la teoría de que es bastante posible obtener burbujas de nanodominio y estructuras topológicas tipo skyrmion en
ferroeléctrica * mediante la interacción de energías elásticas, electrostáticas y de gradiente.
La ferroelectricidad (o ferroelectricidad ) * es la ocurrencia de polarización espontánea en un cristal a cierta temperatura, incluso sin un campo eléctrico externo.
Y el ferroelástico se llama sustancias monocristalinas, cuya red cristalina puede deformarse espontáneamente con la disminución de la temperatura y la transición de fase.
Las muestras para el estudio - [(PbTiO
3 ) n / (SrTiO
3 )
n ]
m (n = 12–20, m = 1–8) - se fabricaron en sustratos de un solo cristal a partir de titanato de estroncio (SrTiO
3 ) mediante pulverización con láser pulsado en combinación con difracción de electrones rápidos.
Un análisis de la topología (arriba) mediante mapeo RSM reveló la formación de anillos (imágenes
byd ) con distribución de intensidad. Las manifestaciones de tal fenómeno topológico en el espacio recíproco pueden deberse a nanodominios ferroeléctricos.
Además, el análisis RSM mostró la coincidencia de las topologías de la estructura de tres capas y el sustrato SrTiO
3 , donde el tamaño del anillo y su ancho en el plano (
g ,
h ) son casi iguales. En este caso, se observa una fuerte diferencia con respecto a los nanodominios de vórtice periódicos observados anteriormente en DyScO
3 (
e ,
f ).
Fue necesario averiguar la fuente de dicho patrón de difracción, para lo cual se aplicó el método de visualización por TEM (microscopio electrónico de transmisión).
Imagen No. 1Imágenes TEM de tres capas (m = 1), es decir La heteroestructura y la superrejilla estudiadas (m = 8) se muestran en las imágenes
1a y
1b , respectivamente. De ellos podemos notar la modulación de intensidad con una escala de longitud de aproximadamente 8 nm, que indica la formación de regiones polares antiparalelas.
Las imágenes SEM (microscopio electrónico de barrido de transmisión) de la tri-capa permitieron determinar la presencia de una mezcla de elementos redondos (aproximadamente 8 nm de diámetro) y oblongos (
1c ). Pero en la superredes, solo prevalecieron las matrices de elementos redondos (
1d ).
Los científicos creen que tal topología es bastante inusual, porque las paredes de dominio se dividen en muchas áreas de un orden más cercano a lo largo de muchas direcciones planas, lo que conduce a elementos circulares y alargados distintos. Anteriormente, esto no se observó.
Las inserciones (esquina superior derecha en
1s y
1d ) muestran imágenes de rayos X después de una transformada rápida de Fourier, que muestra claramente cuatro lóbulos con simetría rotacional, es decir, con una rotación de polarización no similar.
Luego, los científicos realizaron una serie de cálculos matemáticos para confirmar que la topología observada es muy similar a los skyrmions magnéticos y tiene un número de skyrmion preciso y definible. Los cálculos mostraron que los dipolos eléctricos locales rotan constantemente dentro y fuera del plano en la interfaz entre PbTiO
3 y SrTiO
3 (
2a y
2b ).
Imagen No. 2En las partes superior e inferior de la capa PbTiO
3 , los dipolos tienen polarización plana que conecta las regiones superiores con polarización divergente y las regiones polares inferiores con convergencia (
2c ,
2e ). También se observa una compactación de la polarización de espín en el plano x - y medio de la capa PbTiO
3 (
2b ,
2d ).
El análisis de la textura de polarización en las interfaces superior e inferior de PbTiO
3 / SrTiO
3 (
2c ,
2e ) permitió revelar skyrmions del tipo hedgehog, pero se encontraron skyrmions de tipo espiral (
2d ) dentro de la capa PbTiO
3 .
Los científicos también determinaron la textura de polarización, donde el parámetro de orden local tiene rotación cero, pero divergencia positiva (los vectores se dirigen hacia afuera) en el plano superior (
2c ). En el plano inferior, ocurre la situación opuesta (
2e ): hay una divergencia negativa (los vectores se dirigen hacia adentro). En la capa intermedia, el componente de polarización plana se manifiesta solo por un componente paralelo a la pared del dominio, como en los skyrmions espirales ordinarios (
2d ).
A partir de estas observaciones, los científicos concluyeron que las burbujas tridimensionales de skyrmions polares son una especie de evolución de skyrmions bidimensionales a lo largo de la normalidad de la película: desde la parte superior hasta la parte inferior de la capa PbTiO
3 , respectivamente, desde el skyrmion "hedgehog" hasta la espiral y nuevamente al erizo. Estas estructuras topológicas, a pesar de su evolución, siguen siendo equivalentes, ya que pueden transformarse entre sí debido a la deformación continua.
El siguiente paso en el estudio de una muestra inusual con propiedades inusuales fue el estudio de la estructura atómica de una burbuja skyrmion. Para hacer esto, se llevó a cabo un mapeo de polarización (imagen
No. 3 ).
Imagen No. 3El mapeo del vector de desplazamiento de titanio en las imágenes obtenidas anteriormente mostró la presencia de un campo de desplazamiento microscópico alrededor de una burbuja de skyrmion. El mapa vectorial (
3a ), correspondiente a estos datos, muestra la región en la que el sesgo inverso del titanio se mueve desde el borde hacia el centro, que se asemeja a la estructura de un skyrmion "erizo".
En la sección transversal (
3b ), una región polar cilíndrica con polarización antiparalela (arriba-abajo) es claramente visible. El vector de polarización gira en los límites cerca de la interfaz PbTiO
3 / SrTiO
3 , lo cual es consistente con la discrepancia de polarización observada en la imagen
3a . Al combinar ambos tipos de imágenes (bidimensionales y con una sección transversal), los científicos revelaron una estructura similar en la parte superior de la capa PbTiO
3 .
Usando un análisis 4D-PEME de la superredes [(PbTiO
3 )
16 / (SrTiO
3 )
16 ]
8 , se obtuvo una
imagen (
3d ) y un mapa de orden polar usando el flujo de probabilidad (
3e ). Para confirmar las observaciones, los científicos realizaron una simulación de la propagación del haz a través de la estructura del modelo que se muestra en la imagen No. 2. Los resultados de la simulación se muestran en
3f y
3g .
La totalidad de estas observaciones indica la formación de una estructura polar skyrmion, cuyos componentes son similares a la estructura "erizo", donde la dirección de polarización gira de arriba a abajo desde el centro hasta el borde del skyrmion. La rotación divergente y convergente de la polarización en las partes superior e inferior de la estructura polar se asemeja a la configuración de espín de los skyrmions de Néel en ferromagnetos. Dichas estructuras deberían, según los científicos, tener propiedades no estándar, como la quiralidad y el número cero de skyrmion.
Fue necesario verificar por qué se realizó la difracción de resonancia de la radiación de rayos X de la superredes [(PbTiO
3 )
16 / (SrTiO
3 )
16 ]
8 .
Imagen No. 4De acuerdo con la estructura simulada (imagen No. 2), una línea imaginaria a lo largo de cualquier dirección en el plano central de cada capa de PbTiO
3 intersecta solo las paredes del dominio Bloch, como resultado de lo cual la polarización local muestra una rotación en espiral a lo largo de esta línea. Una textura de polarización espiral similar es casi idéntica a la configuración que ocurre en los arreglos de vórtice polar. En consecuencia, esto debería conducir a una señal dicroica similar de una estructura electrónica quiral.
Un estudio RSM mostró la presencia de dos conjuntos de pedidos (
4a ). Primero, a lo largo de la dirección fuera del plano hay picos regulares asociados con la periodicidad fuera del plano de la superred (aproximadamente 12 nm). En segundo lugar, hay picos satelitales (uno de ellos en
4b ) en la dirección perpendicular o plana, que corresponde al ordenamiento plano de las estructuras polares (aproximadamente 8 nm). Dado que la energía de rayos X se sintoniza a través de los bordes de absorción de titanio L
3 y L
2 , la intensidad de los picos de difracción del satélite es sensible a las distorsiones periódicas, en particular, a las características quirales de los orbitales anisotrópicos de titanio.
Al medir los espectros con luz polarizada circular derecha e izquierda (
4c ), separando la fluorescencia de fondo (
4d ) y teniendo en cuenta la diferencia entre los dos espectros obtenidos (
4e ), los científicos midieron el dicroísmo circular de rayos X. La presencia de dicroísmo pronunciado en el borde de L
3 indica la presencia de estructuras quirales. En este caso, se observó dicroísmo circular tanto en la superred como en las tres capas.
Los científicos explican la naturaleza no magnética del dicroísmo circular observado mediante la configuración quiral de los momentos cuadrupolo de carga.
Además de las mediciones descritas anteriormente, los científicos también verificaron la intensidad de dispersión de resonancia y el dicroísmo circular en función del vector de dispersión lateral (
4f ). En teoría, la presencia de componentes estructurales de Bloch debería violar la ley de Friedel debido a la violación de la simetría de inversión a lo largo del plano. Es por esta razón que la asimetría observada en la intensidad de los picos de difracción especular es evidencia del componente de polarización de Bloch en las burbujas skyrmion.
Resumiendo todas las observaciones, cálculos y medidas, podemos decir con confianza que las burbujas de skyrmions polares están presentes en la heteroestructura estudiada.
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el
informe de los científicos.Epílogo
Este estudio reveló estructuras skyrmion inusuales en la capa PbTiO3. Estos skyrmions son eléctricos, no magnéticos, como solíamos llamarlos antes. Además, combinan las características de Neel y Flea.
Los científicos señalan que dicha estructura skyrmion tridimensional es muy diferente de la conocida bidimensional. Las burbujas Skyrmion se pueden mover usando un campo eléctrico, lo que brinda un mayor control y la capacidad de usar estructuras similares donde esto era previamente imposible.
En el futuro, los científicos planean usar este estudio en su próximo trabajo sobre el acoplamiento de carga por rotación en superredes. La aplicación práctica de tales tecnologías aún no se ha discutido, ya que queda mucho por explorar. Una cosa está clara: ganando control sobre la estructura de cualquier material y sus propiedades, puede lograr resultados increíbles.
¡Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana de trabajo, muchachos!
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