Die Welt um uns herum scheint chaotisch und unberechenbar, aber das ist nicht ganz richtig. Verschiedene Prozesse sind die Früchte der Aktivität bestimmter physikalischer oder chemischer Phänomene, die von Anfang an unveränderten Gesetzen folgen. Die menschliche Neugier hat es uns ermöglicht, viele Fragen zu beantworten und zu verstehen, wie, was und warum geschieht. Und für Wissenschaftler wird es immer schwieriger, während ihrer Forschung zumindest eine kleine Überraschung zu bekommen. Aber wir wissen weit von allem und weit von allem ist, wie es vorher schien. Neben den Texten werden wir heute eine Studie kennenlernen, in der eine Gruppe von Wissenschaftlern das Vorhandensein der Chiralität polarer Skyrmionen in dem von ihnen entworfenen Material entdeckte. Was ist daran ungewöhnlich, wie unterscheiden sich diese Skyrmionen von magnetischen und warum sind Wissenschaftler so daran interessiert, dieses Phänomen zu untersuchen? Antworten auf diese und andere Fragen finden wir im Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.
Studienbasis
Zunächst sollte daran erinnert werden, was ein Skyrmion ist und womit es gegessen wird. Wir haben bereits in früheren Artikeln das Thema Skyrmionen angesprochen:Was ist magnetisches Skyrmion?Zunächst sei daran erinnert, dass sich die Atome magnetischer Materialien, die ihr eigenes magnetisches Moment eines Elektrons haben, in einfachen Worten wie Magnete verhalten. Wenn eine Substanz magnetisiert wird, richten sich die Spins der Atome auf eine bestimmte Weise aus, was diese Substanz zu einem Magneten macht.
Im Jahr 2009 entdeckten Forscher ein sehr faszinierendes Merkmal einzelner Atome. Ihr Rücken war zu Trichtern (Wirbeln) verdreht. Eine ähnliche Struktur wurde Skyrmion genannt, zu Ehren des britischen Physikers Tony Skyrme, der bereits 1962 ein mathematisches Modell von Wirbelspins beschrieb.
Bild a - Skyrmion "Igel", b - Spiral Skyrmion.Eines der wichtigsten Merkmale der IT für Skyrmions ist ihre topologische Stabilität. Die Quintessenz ist, dass jede Störung die Richtung der Drehungen ändern kann, aber die Drehung bleibt gleich. So können Sie Informationen in binärer Form speichern: 0 - es gibt kein Skyrmion, 1 - es gibt ein Skyrmion. Und angesichts der Nanometergröße solcher Strukturen kann sich auch die Speicherdichte von Informationen erheblich erhöhen.
Ausgehend von diesen Informationen wurde auch die Existenz von Anti-Skyrmionen angenommen, deren topologische Ladung gewöhnlichen Skyrmionen entgegengesetzt sein wird.
Zweidimensionale Spinstrukturen weisen eine nichttriviale Topologie auf, die für ihre gewisse Stabilität verantwortlich ist. Solche Strukturen zeichnen sich durch eine topologische Ladung aus:
Dabei ist
m = m (r, t) der Richtungsvektor magnetischer Momente in Zeit und Raum.
Skyrmionen
(q = 1 ) und Anti-Skyrmionen (
q = -1 ) haben entgegengesetzte Ladungen und können paarweise auftreten, wenn eine Verformung eines homogenen Zustands auftritt (
q = 0 ). Die Beschreibung der Dynamik von Skyrmionen und Anti-Skyrmionen kann angenähert werden, wenn der Kern als bewegungslos betrachtet wird, wodurch die erforderliche Anzahl von Variablen zur Beschreibung ihrer Bewegung verringert wird.
Die folgende Formel beschreibt die gedämpfte gyrotrope Bewegung der Position des Kerns (X) von Skyrmionen und Anti-Skyrmionen als Reaktion auf die ausgeübte Kraft (F):
G, gleich -qG0z, ist ein Kreiselvektor;
α ist die Dämpfungskonstante;
D0 ist ein Strukturfaktor.Die Dynamik in der obigen Gleichung ist nicht-Newtonsch, und daher hängt die gyrotrope Reaktion von q ab und bestimmt die Richtung, in die sich der Kern bewegt.
Hier ist zu klären: Polare Skyrmionen sind topologische Formationen, die aus entgegengesetzten elektrischen Ladungen, dh Dipolen, bestehen.
Das interessanteste Merkmal ist die Tatsache, dass diese polaren Skyrmionblasen elektrische Analoga von magnetischen Skyrmionen sind, jedoch keine magnetischen Skyrmionen als solche. Je besser die polaren Skyrmionen untersucht werden, desto mehr Werkzeuge werden wir haben, um sie zu manipulieren, und daher Werkzeuge, um die Chiralität und sogar die negative Kapazität zu kontrollieren.
Die Forschung auf dem Gebiet der Spintronik und Skyrmionik berücksichtigt aktiv genau magnetische Skyrmionen. Die polaren Skyrmionen dieser Ehre wurden jedoch nicht vergeben.
Wie sind Wissenschaftler zu der Entdeckung gekommen, über die wir heute nachdenken? Tatsache ist, dass komplexe topologische Strukturen ein großartiger Ort sind, um Phänomene und exotische Phasen, die in ihnen auftreten, zu untersuchen und zu suchen. Durch Änderung der epitaktischen Beschränkungen entdeckten Wissenschaftler polare Skyrmionvesikel bei Raumtemperatur in einer Schicht aus Bleititanat (PbTiO
3 ), die auf beiden Seiten mit Schichten aus Strontiumtitanat (SrTiO
3 ) beschichtet war, dh in der Heterostruktur (PbTiO
3 )
n / (SrTiO
3 )
n .
Hinter dieser Studie steht die Theorie, dass es durchaus möglich ist, Nanodomänenblasen und skyrmionartige topologische Strukturen in
Ferroelektrika * durch Wechselwirkung von elastischen, elektrostatischen und Gradientenenergien zu erhalten.
Ferroelektrizität (oder Ferroelektrizität ) * ist das Auftreten einer spontanen Polarisation in einem Kristall bei einer bestimmten Temperatur, auch ohne ein externes elektrisches Feld.
Und ferroelastisch nennt man Einkristallsubstanzen, deren Kristallgitter sich mit abnehmender Temperatur und abnehmendem Phasenübergang spontan verformen kann.
Die zu untersuchenden Proben - [(PbTiO
3 ) n / (SrTiO
3 )
n ]
m (n = 12–20, m = 1–8) - wurden auf Einkristallsubstraten aus Strontiumtitanat (SrTiO
3 ) durch gepulstes Lasersputtern in Kombination hergestellt mit Beugung schneller Elektronen.
Eine Analyse der Topologie (oben) durch RSM-Kartierung ergab eine Ringbildung (Bilder
b und
d ) mit Intensitätsverteilung. Manifestationen eines solchen topologischen Phänomens im reziproken Raum können auf ferroelektrische Nanodomänen zurückzuführen sein.
Die RSM-Analyse zeigte auch die Übereinstimmung der Topologien der Dreischichtstruktur und des SrTiO
3 -Substrats, wobei die Ringgröße und ihre Breite in der (
g ,
h ) -Ebene nahezu identisch sind. In diesem Fall wird ein starker Unterschied zu periodischen Wirbel-Nanodomänen beobachtet, die zuvor bei DyScO
3 (
e ,
f ) beobachtet wurden.
Es war notwendig, die Quelle eines solchen Beugungsmusters herauszufinden, für das die Methode der Visualisierung durch TEM (Transmissionselektronenmikroskop) angewendet wurde.
Bild Nr. 1TEM-Bilder einer Dreischicht (m = 1), d.h. Die untersuchte Heterostruktur und das Übergitter (m = 8) sind in den Bildern
1a bzw.
1b dargestellt . An ihnen können wir die Intensitätsmodulation mit einer Längenskala von etwa 8 nm erkennen, was auf die Bildung antiparalleler Polarregionen hinweist.
Die REM-Bilder (Transmissions-Rasterelektronenmikroskop) der Dreischicht ermöglichten es, das Vorhandensein einer Mischung aus runden (ca. 8 nm Durchmesser) und länglichen Elementen (
1c ) zu bestimmen. Im Übergitter herrschten jedoch nur Anordnungen runder Elemente (
1d ) vor.
Wissenschaftler glauben, dass eine solche Topologie ziemlich ungewöhnlich ist, da die Domänenwände entlang vieler planarer Richtungen in viele Bereiche engerer Ordnung unterteilt sind, was zu unterschiedlichen kreisförmigen und länglichen Elementen führt. Bisher wurde dies nicht beobachtet.
Die Einschübe (obere rechte Ecke um
1s und
1d ) zeigen Röntgenbilder nach einer schnellen Fourier-Transformation, die deutlich vier Lappen mit Rotationssymmetrie zeigt, dh mit einer nicht ähnlichen Polarisationsrotation.
Die Wissenschaftler führten dann eine Reihe mathematischer Berechnungen durch, um zu bestätigen, dass die beobachtete Topologie magnetischen Skyrmionen sehr ähnlich ist und eine genaue und definierbare Skyrmionzahl aufweist. Berechnungen zeigten, dass lokale elektrische Dipole an der Grenzfläche zwischen PbTiO
3 und SrTiO
3 (
2a und
2b ) ständig in die Ebene hinein und aus dieser heraus rotieren.
Bild Nr. 2Im oberen und unteren Teil der PbTiO
3 -Schicht weisen Dipole eine planare Polarisation auf, die die oberen Bereiche mit divergierender Polarisation und die unteren Polarbereiche mit konvergierender Verbindung verbindet (
2c ,
2e ). Eine Verdichtung der Spinpolarisation wird auch in der mittleren x-y-Ebene der PbTiO
3 -Schicht (
2b ,
2d ) beobachtet.
Eine Analyse der Polarisationstextur an den oberen und unteren Grenzflächen von PbTiO
3 / SrTiO
3 (
2c ,
2e ) ermöglichte es, Skyrmionen vom Igel-Typ aufzudecken, aber Spiral-Skyrmionen (
2d ) wurden innerhalb der PbTiO
3 -Schicht gefunden.
Die Wissenschaftler bestimmten auch die Polarisationstextur, bei der der lokale Ordnungsparameter eine Rotation von Null, aber eine positive Divergenz (Vektoren sind nach außen gerichtet) in der oberen Ebene (
2c ) aufweist. In der unteren Ebene tritt die entgegengesetzte Situation auf (
2e ): Es gibt eine negative Divergenz (die Vektoren sind nach innen gerichtet). In der mittleren Schicht manifestiert sich die planare Polarisationskomponente nur in einer Komponente parallel zur Domänenwand, wie bei gewöhnlichen Spiralskyrmionen (
2d ).
Aus diesen Beobachtungen schlussfolgerten die Wissenschaftler, dass dreidimensionale Blasen polarer Skyrmionen eine Art Entwicklung zweidimensionaler Skyrmionen entlang der Normalen des Films darstellen: von oben nach unten in der PbTiO
3 -Schicht, vom Skigel des „Igels“ zur Spirale und erneut zum Igel. Diese topologischen Strukturen bleiben trotz ihrer Entwicklung äquivalent, da sie aufgrund kontinuierlicher Verformung ineinander umgewandelt werden können.
Der nächste Schritt bei der Untersuchung einer ungewöhnlichen Probe mit ungewöhnlichen Eigenschaften war die Untersuchung der Atomstruktur einer Skyrmionblase. Zu diesem Zweck wurde eine Polarisationsabbildung durchgeführt (Bild
Nr. 3 ).
Bild Nr. 3Die Abbildung des Verschiebungsvektors von Titan in den zuvor erhaltenen Bildern zeigte das Vorhandensein eines mikroskopischen Verschiebungsfeldes um eine Skyrmionblase. Die Vektorkarte (
3a ), die diesen Daten entspricht, zeigt den Bereich, in dem sich die umgekehrte Vorspannung von Titan vom Rand zum Zentrum bewegt, was der Struktur eines "Igel" -Skyrmions ähnelt.
Im Querschnitt (
3b ) ist ein zylindrischer Polarbereich mit antiparalleler (Auf-Ab-) Polarisation deutlich sichtbar. Der Polarisationsvektor dreht sich an den Grenzen nahe der PbTiO
3 / SrTiO
3 -Schnittstelle, was mit der in Bild
3a beobachteten Polarisationsdiskrepanz übereinstimmt. Durch die Kombination beider Bildtypen (zweidimensional und mit einem Querschnitt) konnten Wissenschaftler eine ähnliche Struktur im oberen Teil der PbTiO
3 -Schicht erkennen.
Unter Verwendung einer 4D-PEME-Analyse des Übergitters [(PbTiO
3 )
16 / (SrTiO
3 )
16 ]
8 wurden unter Verwendung des Wahrscheinlichkeitsstroms (
3e ) ein (
3d ) Bild und eine Karte polarer Ordnung erhalten. Um die Beobachtungen zu bestätigen, führten die Wissenschaftler eine Simulation der Ausbreitung des Strahls durch die Struktur des in Bild Nr. 2 gezeigten Modells durch. Die Simulationsergebnisse sind auf
3f und
3g gezeigt .
Die Gesamtheit dieser Beobachtungen zeigt die Bildung einer polaren Skyrmionstruktur, deren Komponenten der "Igel" -Struktur ähnlich sind, bei der sich die Polarisationsrichtung von oben nach unten von der Mitte zum Rand des Skyrmions dreht. Die divergente und konvergente Rotation der Polarisation im oberen und unteren Teil der Polarstruktur ähnelt der Spin-Konfiguration von Néel-Skyrmionen in Ferromagneten. Solche Strukturen sollten laut Wissenschaftlern nicht standardmäßige Eigenschaften wie Chiralität und Null-Skyrmion-Zahl aufweisen.
Es musste überprüft werden, warum eine Resonanzbeugung der Röntgenstrahlung des Übergitters [(PbTiO
3 )
16 / (SrTiO
3 )
16 ]
8 durchgeführt wurde.
Bild Nr. 4Gemäß der simulierten Struktur (Bild Nr. 2) schneidet eine imaginäre Linie entlang einer beliebigen Richtung in der Mittelebene jeder PbTiO
3 -Schicht nur die Wände der Bloch-Domäne, wodurch die lokale Polarisation eine Spiraldrehung entlang dieser Linie zeigt. Eine ähnliche Spiralpolarisationstextur ist nahezu identisch mit der Konfiguration, die in Polarwirbelanordnungen auftritt. Dementsprechend sollte dies zu einem ähnlichen dichroitischen Signal von einer chiralen elektronischen Struktur führen.
Eine RSM-Studie zeigte das Vorhandensein von zwei Ordnungssätzen (
4a ). Erstens gibt es entlang der Richtung außerhalb der Ebene regelmäßige Peaks, die mit der Periodizität außerhalb der Ebene des Übergitters (etwa 12 nm) verbunden sind. Zweitens gibt es Satellitenpeaks (einer davon bei
4b ) in senkrechter oder planarer Richtung, die der planaren Ordnung der polaren Strukturen (etwa 8 nm) entsprechen. Da die Röntgenenergie durch die Absorptionskanten von Titan L
3 und L
2 abgestimmt wird, ist die Intensität der Satellitenbeugungspeaks empfindlich gegenüber periodischen Verzerrungen, insbesondere gegenüber den chiralen Merkmalen anisotroper Titanorbitale.
Durch Messung der Spektren mit rechts und links zirkular polarisiertem Licht (
4c ), Trennung der Hintergrundfluoreszenz (
4d ) und Berücksichtigung des Unterschieds zwischen den beiden erhaltenen Spektren (
4e ) haben die Wissenschaftler den Zirkulardichroismus gemessen. Das Vorhandensein eines ausgeprägten Dichroismus am Rand von L
3 zeigt das Vorhandensein chiraler Strukturen an. In diesem Fall wurde sowohl im Übergitter als auch in der Dreischicht ein Zirkulardichroismus beobachtet.
Wissenschaftler erklären die nichtmagnetische Natur des beobachteten Zirkulardichroismus durch die chirale Konfiguration von Ladungsquadrupolmomenten.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Messungen überprüften die Wissenschaftler auch die Intensität der Resonanzstreuung und den Zirkulardichroismus als Funktion des lateralen Streuungsvektors (
4f ). Theoretisch sollte das Vorhandensein von Bloch-Strukturkomponenten aufgrund der Verletzung der Inversionssymmetrie entlang der Ebene gegen das Friedel-Gesetz verstoßen. Aus diesem Grund ist die beobachtete Asymmetrie in der Intensität der Spiegelbeugungspeaks ein Beweis für die Bloch-Polarisationskomponente in Skyrmionblasen.
Wenn wir alle Beobachtungen, Berechnungen und Messungen zusammenfassen, können wir mit Sicherheit sagen, dass die Blasen der polaren Skyrmionen in der untersuchten Heterostruktur vorhanden sind.
Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich dringend, dass Sie sich den
Bericht von Wissenschaftlern ansehen
.Nachwort
Diese Studie ergab ungewöhnliche Skyrmionstrukturen in der PbTiO3-Schicht. Diese Skyrmionen sind elektrisch und nicht magnetisch, wie wir sie früher genannt haben. Darüber hinaus kombinieren sie die Eigenschaften von Neel und Floh.
Wissenschaftler stellen fest, dass sich eine solche dreidimensionale Skyrmionstruktur stark von der bekannten zweidimensionalen unterscheidet. Skyrmionblasen können mithilfe eines elektrischen Feldes bewegt werden, was eine bessere Kontrolle und die Möglichkeit bietet, ähnliche Strukturen zu verwenden, wo dies zuvor unmöglich war.
In Zukunft planen Wissenschaftler, diese Studie in ihrer nächsten Arbeit zur Spin-Ladungs-Kopplung in Übergittern zu verwenden. Die praktische Anwendung solcher Technologien wurde noch nicht diskutiert, da noch viel zu erforschen ist. Eines ist klar: Wenn Sie die Kontrolle über die Struktur jedes Materials und seine Eigenschaften erlangen, können Sie unglaubliche Ergebnisse erzielen.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs!
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