Le monde qui nous entoure semble chaotique et imprévisible, mais ce n'est pas entièrement vrai. Divers processus sont le fruit de l'activité de certains phénomènes physiques ou chimiques qui obéissent à des lois inchangées depuis le début des temps. La curiosité humaine nous a permis de répondre à de nombreuses questions, de comprendre comment, quoi et pourquoi se passe. Et il devient de plus en plus difficile pour les scientifiques d'obtenir au moins une petite surprise lors de leurs recherches. Mais nous savons loin de tout, et loin de tout, c'est ce qu'il semblait avant. Du côté des paroles, nous allons aujourd'hui nous familiariser avec une étude dans laquelle un groupe de scientifiques a découvert la présence de la chiralité des skyrmions polaires dans le matériau qu'ils ont conçu. Qu'est-ce qui est inhabituel, en quoi ces skyrmions diffèrent-ils des skyrmions et pourquoi les scientifiques sont-ils si intéressés à étudier ce phénomène? Nous trouverons des réponses à ces questions et à d'autres dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.
Base d'étude
Tout d'abord, il convient de rappeler ce qu'est un skyrmion et avec quoi il est mangé. Plus tôt, nous avons déjà abordé le sujet des skyrmions dans des articles précédents:Qu'est-ce que le skyrmion magnétique?Pour commencer, il convient de rappeler que les atomes de matériaux magnétiques, qui ont leur propre moment magnétique d'un électron, se comportent comme des aimants, en termes simples. Lorsqu'une substance est magnétisée, les spins des atomes s'alignent d'une certaine manière, ce qui fait de cette substance un aimant.
En 2009, les chercheurs ont découvert une caractéristique très fascinante des atomes individuels. Leurs dos étaient tordus en entonnoirs (tourbillons). Une structure similaire a été appelée skyrmion, en l'honneur du physicien britannique Tony Skyrme, qui, en 1962, décrivait un modèle mathématique de vortex.
Image a - skyrmion «hérisson», b - skyrmion en spirale.L'une des caractéristiques importantes de l'informatique pour les skyrmions est leur stabilité topologique. L'essentiel est que toute perturbation peut changer la direction des spins, mais la torsion restera la même. Ainsi, vous pouvez stocker des informations sous forme binaire: 0 - il n'y a pas de skyrmion, 1 - il y a un skyrmion. Et compte tenu de la taille nanométrique de ces structures, la densité de stockage des informations peut également augmenter considérablement.
Partant de ces informations, l'existence d'anti-skyrmions a également été supposée, dont la charge topologique sera opposée aux skyrmions ordinaires.
Les structures de spin bidimensionnelles ont une topologie non triviale, qui est responsable de leur certain niveau de stabilité. Ces structures sont caractérisées par une charge topologique:
où
m = m (r, t) est le vecteur directionnel des moments magnétiques dans le temps et l'espace.
Les Skyrmions
(q = 1 ) et les anti-skyrmions (
q = -1 ) ont des charges opposées et peuvent se produire par paires si une déformation d'un état homogène se produit (
q = 0 ). La description de la dynamique des skyrmions et des anti-skyrmions peut être approximée si le noyau est considéré comme immobile, ce qui réduit le nombre requis de variables pour décrire leur mouvement.
La formule ci-dessous décrit le mouvement gyrotrope amorti de la position du noyau (X) des skyrmions et anti-skyrmions en réponse à la force appliquée (F):
G, égal à -qG0z, est un vecteur gyroscopique;
α est la constante d'atténuation;
D0 est un facteur structurel.La dynamique dans l'équation ci-dessus est non newtonienne, et donc la réponse gyrotrope dépend de q et dicte la direction dans laquelle le noyau se déplace.
Ici, il convient de clarifier: les skyrmions polaires sont des formations topologiques constituées de charges électriques opposées, c'est-à-dire des dipôles.
La caractéristique la plus intéressante est le fait que ces bulles de skyrmions polaires sont des analogues électriques des skyrmions magnétiques, mais pas des skyrmions magnétiques en tant que tels. Plus les skyrmions polaires seront étudiés, plus nous disposerons d'outils pour les manipuler et, par conséquent, d'outils pour contrôler la chiralité et même la capacité négative.
La recherche dans le domaine de la spintronique et de la skyrmionique étudie activement les skyrmions précisément magnétiques. Cependant, les skyrmions polaires de cet honneur n'ont pas été décernés.
Comment les scientifiques sont-ils arrivés à la découverte que nous envisageons aujourd'hui? Le fait est que les structures topologiques complexes sont un excellent endroit pour étudier et rechercher les phénomènes et les phases exotiques qui s'y produisent. Les scientifiques, en modifiant les limites épitaxiales, ont découvert des bulles de skyrmion polaire à température ambiante dans une couche de titanate de plomb (PbTiO
3 ), recouverte des deux côtés de couches de titanate de strontium (SrTiO
3 ), en d'autres termes, dans l'hétérostructure (PbTiO
3 )
n / (SrTiO
3 )
n .
Derrière cette étude se trouve la théorie selon laquelle il est tout à fait possible d'obtenir des bulles de nanodomaines et des structures topologiques de type skyrmion dans les
ferroélectriques * par l'interaction des énergies élastique, électrostatique et gradient.
La ferroélectricité (ou ferroélectricité ) * est l'apparition d'une polarisation spontanée dans un cristal à une certaine température même sans champ électrique externe.
Et le ferroélastique est appelé substances monocristallines, dont le réseau cristallin peut se déformer spontanément avec une température et une transition de phase décroissantes.
Les échantillons à étudier - [(PbTiO
3 ) n / (SrTiO
3 )
n ]
m (n = 12–20, m = 1–8) - ont été fabriqués sur des substrats monocristallins en titanate de strontium (SrTiO
3 ) par pulvérisation laser pulsée en combinaison avec diffraction d'électrons rapides.
Une analyse de la topologie (ci-dessus) par cartographie RSM a révélé la formation d'anneaux (images
b et
d ) avec une distribution d'intensité. Les manifestations d'un tel phénomène topologique dans l'espace réciproque peuvent être dues à des nanodomaines ferroélectriques.
De plus, l'analyse RSM a montré la correspondance des topologies de la structure à trois couches et du substrat SrTiO
3 , où la taille de l'anneau et sa largeur dans le plan (
g ,
h ) sont presque les mêmes. Dans ce cas, une forte différence est observée par rapport aux nanodomaines de vortex périodiques observés précédemment sur DyScO
3 (
e ,
f ).
Il était nécessaire de trouver la source d'un tel diagramme de diffraction, pour lequel la méthode de visualisation par MET (microscope électronique à transmission) a été appliquée.
Image n ° 1Images TEM à trois couches (m = 1), c'est-à-dire l'hétérostructure et le super-réseau étudiés (m = 8) sont montrés dans les images
1a et
1b , respectivement. À partir d'eux, nous pouvons remarquer la modulation d'intensité avec une échelle de longueur d'environ 8 nm, qui indique la formation de régions polaires antiparallèles.
Les images SEM (microscope électronique à balayage à transmission) de la tri-couche ont permis de déterminer la présence d'un mélange d'éléments ronds (environ 8 nm de diamètre) et allongés (
1c ). Mais dans le super-réseau, seuls les tableaux d'éléments ronds (
1d ) ont prévalu.
Les scientifiques pensent qu'une telle topologie est assez inhabituelle, car les murs du domaine sont divisés en plusieurs zones d'un ordre plus étroit le long de nombreuses directions planes, ce qui conduit à des éléments circulaires et allongés distincts. Auparavant, cela n'était pas observé.
Les encarts (coin supérieur droit par
1s et
1d ) montrent des images radiographiques après une transformée de Fourier rapide, qui montre clairement quatre lobes avec une symétrie de rotation, c'est-à-dire avec une rotation de polarisation non similaire.
Les scientifiques ont ensuite effectué une série de calculs mathématiques pour confirmer que la topologie observée est très similaire aux skyrmions magnétiques et a un nombre de skyrmions précis et définissable. Les calculs ont montré que les dipôles électriques locaux tournent constamment dans et hors du plan à l'interface entre PbTiO
3 et SrTiO
3 (
2a et
2b ).
Image n ° 2Dans les parties supérieure et inférieure de la couche de PbTiO
3 , les dipôles ont une polarisation planaire reliant les régions supérieures à polarisation divergente et les régions polaires inférieures à convergence (
2c ,
2e ). Un compactage de la polarisation de spin est également observé dans le plan moyen x - y de la couche de PbTiO
3 (
2b ,
2d ).
Une analyse de la texture de polarisation aux interfaces supérieure et inférieure de PbTiO
3 / SrTiO
3 (
2c ,
2e ) a permis de révéler des skyrmions de type hérisson, mais des skyrmions de type spirale (
2d ) ont été trouvés à l'intérieur de la couche PbTiO
3 .
Les scientifiques ont également déterminé la texture de polarisation, où le paramètre d'ordre local a une rotation nulle, mais une divergence positive (les vecteurs sont dirigés vers l'extérieur) dans le plan supérieur (
2c ). Dans le plan inférieur, la situation inverse se produit (
2e ): il y a une divergence négative (les vecteurs sont dirigés vers l'intérieur). Dans la couche intermédiaire, la composante de polarisation planaire ne se manifeste que par une composante parallèle à la paroi du domaine, comme dans les skyrmions spirales ordinaires (
2d ).
À partir de ces observations, les scientifiques ont conclu que les bulles tridimensionnelles de skyrmions polaires sont une sorte d'évolution des skyrmions bidimensionnels le long de la normale du film: du haut vers le bas de la couche PbTiO
3 , respectivement, du skyrmion «hérisson» à la spirale et encore au hérisson. Ces structures topologiques, malgré leur évolution, restent équivalentes, car elles peuvent être transformées les unes par les autres en raison d'une déformation continue.
L'étape suivante de l'étude d'un échantillon inhabituel aux propriétés inhabituelles a été l'étude de la structure atomique d'une bulle de skyrmion. Pour ce faire, une cartographie de polarisation a été réalisée (image
n ° 3 ).
Image n ° 3La cartographie du vecteur de déplacement du titane dans les images obtenues précédemment a montré la présence d'un champ de déplacement microscopique autour d'une bulle de skyrmion. La carte vectorielle (
3a ), correspondant à ces données, montre la région dans laquelle le biais inverse du titane se déplace du bord vers le centre, ce qui ressemble à la structure d'un skyrmion «hérisson».
Dans la section transversale (
3b ), une région polaire cylindrique avec une polarisation antiparallèle (haut-bas) est clairement visible. Le vecteur de polarisation tourne aux limites près de l'interface PbTiO
3 / SrTiO
3 , ce qui est cohérent avec l'écart de polarisation observé sur l'image
3a . En combinant les deux types d'images (en deux dimensions et avec une coupe transversale), les scientifiques ont révélé une structure similaire dans la partie supérieure de la couche PbTiO
3 .
En utilisant une analyse 4D-PEME du super-réseau [(PbTiO
3 )
16 / (SrTiO
3 )
16 ]
8 , une image (
3d ) et une carte d'ordre polaire ont été obtenues en utilisant le flux de probabilité (
3e ). Afin de confirmer les observations, les scientifiques ont effectué une simulation de la propagation du faisceau à travers la structure du modèle montré dans l'image n ° 2. Les résultats de la simulation sont présentés sur
3f et
3g .
L'ensemble de ces observations indique la formation d'une structure de skyrmion polaire, dont les composants sont similaires à la structure du hérisson, où la direction de la polarisation tourne de haut en bas du centre vers le bord du skyrmion. La rotation divergente et convergente de la polarisation dans les parties supérieure et inférieure de la structure polaire ressemble à la configuration de spin des skyrmions de Néel dans les ferromagnétiques. De telles structures devraient, selon les scientifiques, avoir des propriétés non standard, telles que la chiralité et le nombre zéro de skyrmion.
Il a fallu vérifier pourquoi la diffraction par résonance du rayonnement X du super-réseau [(PbTiO
3 )
16 / (SrTiO
3 )
16 ]
8 a été réalisée.
Image n ° 4Selon la structure simulée (image n ° 2), une ligne imaginaire dans n'importe quelle direction dans le plan central de chaque couche de PbTiO
3 coupe uniquement les parois du domaine Bloch, ce qui entraîne une polarisation locale montrant une rotation en spirale le long de cette ligne. Une texture de polarisation en spirale similaire est presque identique à la configuration qui se produit dans les réseaux de tourbillons polaires. En conséquence, cela devrait conduire à un signal dichroïque similaire provenant d'une structure électronique chirale.
Une étude RSM a montré la présence de deux ensembles de commande (
4a ). Tout d'abord, le long de la direction à l'extérieur du plan, il y a des pics réguliers associés à la périodicité à l'extérieur du plan du super-réseau (environ 12 nm). Deuxièmement, il y a des pics satellites (l'un d'eux en
4b ) dans la direction perpendiculaire ou plane, correspondant à l'ordre planaire des structures polaires (environ 8 nm). Étant donné que l'énergie des rayons X est réglée à travers les bords d'absorption du titane L
3 et L
2 , l'intensité des pics de diffraction des satellites est sensible aux distorsions périodiques, en particulier, aux caractéristiques chirales des orbitales anisotropes en titane.
En mesurant les spectres avec une lumière polarisée circulaire droite et gauche (
4c ), en séparant la fluorescence de fond (
4d ) et en tenant compte de la différence entre les deux spectres obtenus (
4e ), les scientifiques ont mesuré le dichroïsme circulaire aux rayons X. La présence d'un dichroïsme prononcé au bord de L
3 indique la présence de structures chirales. Dans ce cas, un dichroïsme circulaire a été observé à la fois dans le super-réseau et dans les trois couches.
Les scientifiques expliquent la nature non magnétique du dichroïsme circulaire observé par la configuration chirale des moments quadripolaires de charge.
En plus des mesures décrites ci-dessus, les scientifiques ont également vérifié l'intensité de diffusion de résonance et le dichroïsme circulaire en fonction du vecteur de diffusion latérale (
4f ). En théorie, la présence de composants structuraux de Bloch devrait violer la loi de Friedel en raison de la violation de la symétrie d'inversion le long du plan. C'est pour cette raison que l'asymétrie observée dans l'intensité des pics de diffraction spéculaire est la preuve de la composante de polarisation de Bloch dans les bulles de skyrmion.
En résumant toutes les observations, calculs et mesures, nous pouvons affirmer avec certitude que les bulles de skyrmions polaires sont présentes dans l'hétérostructure étudiée.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande fortement de consulter le
rapport des scientifiques.Épilogue
Cette étude a révélé des structures de skyrmion inhabituelles dans la couche de PbTiO3. Ces skyrmions sont électriques et non magnétiques, comme nous les appelions plus tôt. De plus, ils combinent les caractéristiques de Neel et Flea.
Les scientifiques notent qu'une telle structure de skyrmion en trois dimensions est très différente de la bien connue en deux dimensions. Les bulles de Skyrmion peuvent être déplacées à l'aide d'un champ électrique, ce qui donne un plus grand contrôle et la possibilité d'utiliser des structures similaires là où cela était auparavant impossible.
À l'avenir, les scientifiques prévoient d'utiliser cette étude dans leurs prochains travaux sur le couplage spin-charge dans les super-réseaux. L'application pratique de ces technologies n'a pas encore été discutée, car beaucoup reste à explorer. Une chose est claire: en contrôlant la structure de tout matériau et ses propriétés, vous pouvez obtenir des résultats incroyables.
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