स्काइरियन टू स्किर्मियन डिसॉर्डर: फेरोलेस्टिक्स में तीन-आयामी ध्रुवीय रेखाचित्र

हमारे आस-पास की दुनिया अराजक और अप्रत्याशित लगती है, लेकिन यह पूरी तरह सच नहीं है। विभिन्न प्रक्रियाएं कुछ भौतिक या रासायनिक घटनाओं की गतिविधि का फल हैं जो समय की शुरुआत से अपरिवर्तित कानूनों का पालन करती हैं। मानव जिज्ञासा ने हमें कई सवालों के जवाब देने की अनुमति दी है, यह समझने के लिए कि कैसे, क्या और क्यों हो रहा है। और वैज्ञानिकों के लिए अपने शोध के दौरान कम से कम थोड़ा आश्चर्य प्राप्त करना कठिन होता जा रहा है। लेकिन हम हर चीज से दूर हैं, और हर चीज से बहुत दूर हैं, जो पहले लगती थी। गीत के पक्ष में, आज हम एक अध्ययन से परिचित होंगे, जिसमें वैज्ञानिकों के एक समूह ने उनके द्वारा डिज़ाइन की गई सामग्री में ध्रुवीय रेखाचित्रों की कोरियेलिटी की उपस्थिति की खोज की थी। इसमें असामान्य क्या है, ये स्किर्म चुंबकीय लोगों से अलग कैसे हैं, और वैज्ञानिक इस घटना का अध्ययन करने में क्यों रुचि रखते हैं? हम अनुसंधान समूह की रिपोर्ट में इन और अन्य सवालों के जवाब पाएंगे। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

यहां यह स्पष्ट करने योग्य है: ध्रुवीय रेखाचित्र सामयिक संरचनाएं हैं जिनमें विपरीत विद्युत आवेश होते हैं, अर्थात द्विध्रुवीय।

सबसे दिलचस्प विशेषता यह है कि ये ध्रुवीय स्किर्मियन बुलबुले चुंबकीय स्किर्मियन के विद्युत एनालॉग हैं, लेकिन चुंबकीय स्किर्मियन नहीं हैं। बेहतर ढंग से अध्ययन किए गए ध्रुवीय रेखाचित्र, जितना अधिक हमारे पास उन्हें हेरफेर करने के लिए उपकरण होंगे और इसलिए, चिरायुता और यहां तक ​​कि नकारात्मक समाई को नियंत्रित करने के लिए उपकरण।

Spintronics और Skyrmionics के क्षेत्र में अनुसंधान सक्रिय रूप से ठीक चुंबकीय skyrmions पर विचार कर रहा है। हालांकि, इस सम्मान के ध्रुवीय रेखाचित्रों को सम्मानित नहीं किया गया था।

आज हम जिस विचार पर विचार कर रहे हैं, उस खोज में वैज्ञानिक कैसे आए? तथ्य यह है कि जटिल टोपोलॉजिकल संरचनाएं अध्ययन और उनमें उत्पन्न होने वाले विदेशी चरणों की खोज और खोज करने के लिए एक शानदार जगह हैं। वैज्ञानिकों ने एपीटैक्सियल सीमाओं को बदलकर, सीसा टाइटानेट (PbTiO ₃ ) की एक परत में कमरे के तापमान पर ध्रुवीय स्किर्मियन बुलबुले की खोज की, दोनों किनारों पर स्ट्रोंटियम टाइटनेट (SrTiO ₃ ) की परतों के साथ लेपित, दूसरे शब्दों में, heterostructure (PbTiO ₃ ) _n / (SrTi ₃ ) में।

इस अध्ययन के पीछे यह सिद्धांत है कि लोचदार, इलेक्ट्रोस्टैटिक और ग्रेडिएंट ऊर्जाओं के संपर्क से फेरोडेलेट्रिक्स * में नैनोडोमैन बुलबुले और स्किर्मियन जैसी सामयिक संरचनाएं प्राप्त करना काफी संभव है।

फेरोइलेक्ट्रिकिटी (या फेरोइलेक्ट्रिसिटी ) * एक बाहरी विद्युत क्षेत्र के बिना भी एक निश्चित तापमान पर एक क्रिस्टल में सहज ध्रुवीकरण की घटना है।

और फेरोलैस्टिक को एकल-क्रिस्टल पदार्थ कहा जाता है, जिसका क्रिस्टल जाली घटते तापमान और चरण संक्रमण के साथ अनायास ख़राब हो सकता है।

अध्ययन के लिए नमूने - [(PbTiO ₃ ) n / (SrTiO ₃ ) _n ] _m (n = 12–20, m = 1–8) - संयोजन में स्पंदित लेजर स्पटरिंग द्वारा स्ट्रोंटियम टाइटनेट (SrTiO ₃ ) से एकल-क्रिस्टल सब्सट्रेट पर तैयार किए गए थे। तेजी से इलेक्ट्रॉनों के विवर्तन के साथ।



आरएसएम मानचित्रण द्वारा टोपोलॉजी (ऊपर) के विश्लेषण से तीव्रता के वितरण के साथ रिंग गठन (चित्र बी और डी ) का पता चला। पारस्परिक अंतरिक्ष में इस तरह के एक टोपोलॉजिकल घटना के घोषणापत्र फेरोइलेक्ट्रिक नैनोडोमेंस के कारण हो सकते हैं।

इसके अलावा, आरएसएम विश्लेषण ने तीन-परत संरचना और SrTiO ₃ सब्सट्रेट के टोपोलॉजी के मिलान को दिखाया, जहां रिंग आकार और ( जी , एच ) विमान में इसकी चौड़ाई लगभग समान है। इस मामले में, डायस्स्को ₃ ( ई , एफ ) पर पहले देखे गए आवधिक भंवर नैनोडोमेंस से एक मजबूत अंतर देखा जाता है।

ऐसे विवर्तन पैटर्न के स्रोत का पता लगाना आवश्यक था, जिसके लिए TEM (ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप) द्वारा विज़ुअलाइज़ेशन की विधि लागू की गई थी।


चित्र संख्या 1

तीन-परत की टीईएम छवियां (एम = 1), अर्थात अध्ययन किए गए हेटरोस्ट्रक्चर और सुपरलैटिस (एम = 8) क्रमशः छवियों 1 ए और 1 बी में दिखाए जाते हैं। उनसे हम लगभग 8 एनएम की लंबाई के पैमाने के साथ तीव्रता के मॉड्यूलेशन को नोटिस कर सकते हैं, जो एंटीपैरल समानांतर ध्रुवीय क्षेत्रों के गठन को इंगित करता है।

त्रिकोणीय परत के एसईएम छवियों (ट्रांसमिशन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप) ने गोल (लगभग 8 एनएम व्यास) और आयताकार तत्वों ( 1 सी ) के मिश्रण की उपस्थिति निर्धारित करना संभव बना दिया। लेकिन सुपरलाटिस में, केवल गोल तत्वों ( 1d ) के सरणियाँ प्रबल होती हैं।

वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि इस तरह की टोपोलॉजी काफी असामान्य है, इस तथ्य के कारण कि डोमेन दीवारों को कई प्लानर दिशाओं के साथ एक करीबी क्रम के कई क्षेत्रों में विभाजित किया जाता है, जो अलग-अलग परिपत्र और लम्बी तत्वों की ओर जाता है। पहले, यह नहीं देखा गया था।

इनसेट्स ( 1 एस और 1 डी द्वारा ऊपरी दाएं कोने) एक तेजी से फूरियर रूपांतरण के बाद एक्स-रे छवियां दिखाते हैं, जो स्पष्ट रूप से घूर्णी समरूपता के साथ चार पालियों को दिखाता है, अर्थात्, ध्रुवीकरण के गैर-समान घुमाव के साथ।

वैज्ञानिकों ने तब गणितीय गणनाओं की एक श्रृंखला की पुष्टि की कि मनाया टोपोलॉजी चुंबकीय स्कीमर के समान है और इसकी सटीक और निश्चित स्किर्मियन संख्या है। गणना से पता चला है कि PbTiO ₃ और SrTiO ₃ ( 2a और 2b ) के बीच के इंटरफेस में स्थानीय इलेक्ट्रिक डिपो लगातार विमान के अंदर और बाहर घूमते हैं।


चित्र संख्या 2

PbTiO ₃ परत के ऊपरी और निचले हिस्सों में, द्विध्रुवीय में ध्रुवीय ध्रुवीकरण और ऊपरी ध्रुवीय क्षेत्रों को धर्मान्तरित ( 2c , 2e ) के साथ जोड़ने वाले प्लेनर ध्रुवीकरण होते हैं। स्पिन ध्रुवीकरण का एक संकलन PbTiO ₃ परत ( 2b , 2b ) के मध्य x - y विमान में भी देखा जाता है।

PbTiO ₃ / SrTiO ₃ ( 2c , 2e ) के ऊपरी और निचले इंटरफेस में ध्रुवीकरण बनावट के विश्लेषण से हेजहोग प्रकार की रेखाओं को प्रकट करना संभव हो गया, लेकिन PbTiO ₃ परत के अंदर सर्पिल-प्रकार के आकार ( 2d ) पाए गए।

वैज्ञानिकों ने ध्रुवीकरण बनावट को भी निर्धारित किया, जहां स्थानीय ऑर्डर पैरामीटर में शून्य रोटेशन है, लेकिन ऊपरी विमान ( 2 सी ) में सकारात्मक विचलन (वैक्टर को बाहर की ओर निर्देशित किया गया है)। निचले विमान में, विपरीत स्थिति होती है ( 2e ): एक नकारात्मक विचलन होता है (वैक्टर अंदर की ओर निर्देशित होता है)। मध्य परत में, प्लैनर ध्रुवीकरण घटक केवल डोमेन दीवार के समानांतर एक घटक द्वारा प्रकट होता है, जैसा कि साधारण सर्पिल स्किर्मियन ( 2 डी ) में होता है।

इन अवलोकनों से, वैज्ञानिकों ने निष्कर्ष निकाला कि ध्रुवीय रेखाचित्रों के तीन आयामी बुलबुले फिल्म के सामान्य के साथ-साथ दो आयामी रेखाचित्रों के एक प्रकार के विकास हैं: क्रमशः PbTiO ₃ परत के ऊपर से नीचे तक, "हेजहोग" रेखा से सर्पिल तक और फिर से हाथी तक। ये अवसंरचनात्मक संरचनाएं, उनके विकास के बावजूद, बराबर बनी हुई हैं, क्योंकि वे निरंतर विकृति के कारण एक दूसरे में परिवर्तित हो सकती हैं।

असामान्य गुणों के साथ एक असामान्य नमूने के अध्ययन में अगला कदम एक स्किर्मियन बुलबुले की परमाणु संरचना का अध्ययन था। ऐसा करने के लिए, ध्रुवीकरण मानचित्रण किया गया (छवि संख्या 3 )।


चित्र संख्या 3

पहले प्राप्त छवियों में टाइटेनियम के विस्थापन वेक्टर के मानचित्रण ने एक स्किर्मियन बुलबुले के आसपास एक सूक्ष्म विस्थापन क्षेत्र की उपस्थिति को दिखाया। इन आंकड़ों के अनुरूप सदिश मानचित्र ( 3a ), उस क्षेत्र को दर्शाता है जिसमें टाइटेनियम के रिवर्स पूर्वाग्रह किनारे से केंद्र की ओर बढ़ते हैं, जो "हेजहोग" स्काईयरियन की संरचना जैसा दिखता है।

क्रॉस सेक्शन ( 3 बी ) में, एंटीपैरल (अप-डाउन) ध्रुवीकरण के साथ एक बेलनाकार ध्रुवीय क्षेत्र स्पष्ट रूप से दिखाई देता है। ध्रुवीकरण वेक्टर PbTiO ₃ / SrTiO ₃ इंटरफ़ेस के पास की सीमाओं पर घूमता है, जो छवि 3a में देखे गए ध्रुवीकरण विसंगति के अनुरूप है। दोनों प्रकार की छवियों (दो-आयामी और एक क्रॉस-सेक्शन के साथ) को जोड़कर, वैज्ञानिकों ने PbTiO ₃ परत के ऊपरी भाग में एक समान संरचना का खुलासा किया।

[(PbTiO ₃ ) ₁₆ / (SrTiO ₃ ) ₁₆ ] ₈ सुपरलैटिस, ( 3 डी ) छवि और एक ध्रुवीय क्रम मानचित्र के 4D-PEME विश्लेषण का उपयोग करके संभाव्यता धारा ( 3e ) का उपयोग कर प्राप्त किया गया। अवलोकनों की पुष्टि करने के लिए, वैज्ञानिकों ने छवि नंबर 2 में दिखाए गए मॉडल की संरचना के माध्यम से बीम के प्रसार का अनुकरण किया। सिमुलेशन परिणाम 3f और 3 जी पर दिखाए जाते हैं।

इन अवलोकनों की समग्रता एक ध्रुवीय स्किर्मियन संरचना के गठन को इंगित करती है, जिसके घटक "हेजहोग" संरचना के समान हैं, जहां ध्रुवीकरण की दिशा केंद्र से स्केनियन के किनारे तक ऊपर से नीचे की ओर घूमती है। ध्रुवीय संरचना के ऊपरी और निचले हिस्सों में ध्रुवीकरण के विचलन और अभिसरण रोटेशन फेरोमैग्नेट्स में नेल स्किर्मियन के स्पिन विन्यास जैसा दिखता है। ऐसी संरचनाएं, वैज्ञानिकों के अनुसार, गैर-मानक गुण हैं, जैसे कि चिरलिटी और शून्य स्किर्मियन संख्या।

यह सत्यापित करना आवश्यक था कि सुपरलैटिस [(PbTiO ₃ ) ₁₆ / (SrTiO ₃ ) ₁₆ ] ₈ का एक्स-रे विकिरण का प्रतिध्वनि विवर्तन क्यों किया गया।


चित्र संख्या 4

नकली संरचना (छवि संख्या 2) के अनुसार, प्रत्येक PbTiO ₃ परत के केंद्रीय तल में किसी भी दिशा के साथ एक काल्पनिक रेखा केवल बलोच डोमेन की दीवारों को काटती है, जिसके परिणामस्वरूप स्थानीय ध्रुवीकरण इस रेखा के साथ सर्पिल रोटेशन को दर्शाता है। एक समान सर्पिल ध्रुवीकरण बनावट ध्रुवीय-भंवर सरणियों में होने वाले कॉन्फ़िगरेशन के लगभग समान है। तदनुसार, यह एक चिरल इलेक्ट्रॉनिक संरचना से एक समान द्विध्रुवीय संकेत का नेतृत्व करना चाहिए।

एक आरएसएम अध्ययन में दो ऑर्डरिंग सेट ( 4 ए ) की उपस्थिति देखी गई। सबसे पहले, विमान के बाहर की दिशा के साथ सुपरलैटिस (लगभग 12 एनएम) के विमान के बाहर आवधिकता से जुड़ी नियमित चोटियाँ होती हैं। दूसरा, ध्रुवीय संरचनाओं (लगभग 8 एनएम) के प्लानर क्रम के अनुरूप, लंबवत या प्लेनर दिशा में उपग्रह चोटियां ( 4 बी में उनमें से एक) हैं। चूंकि एक्स-रे ऊर्जा को टाइटेनियम एल ₃ और एल ₂ के अवशोषण किनारों के माध्यम से ट्यून किया जाता है, इसलिए उपग्रह विवर्तन चोटियों की तीव्रता आवधिक विकृतियों के प्रति संवेदनशील होती है, विशेष रूप से, अनिसोट्रोपिक टाइटेनियम ऑर्बिटल्स की चिरल विशेषताओं के लिए।

स्पेक्ट्रा को दाएं और बाएं परिपत्र ध्रुवीकृत प्रकाश ( 4c ) के साथ मापकर, पृष्ठभूमि प्रतिदीप्ति ( 4d ) को अलग करके और प्राप्त किए गए दो स्पेक्ट्रा ( 4e ) के बीच अंतर को ध्यान में रखते हुए, वैज्ञानिकों ने एक्स-रे परिपत्र dichroism को मापा। एल ₃ के किनारे पर स्पष्ट द्विभाजन की उपस्थिति चिरल संरचनाओं की उपस्थिति को इंगित करती है। इस मामले में, वृत्ताकार द्वैतवाद को सुपरलैटिस और थ्री-लेयर दोनों में देखा गया।

वैज्ञानिकों ने चार्ज चौगुनी क्षणों के चिरल विन्यास द्वारा देखे गए गोलाकार द्विभाजन की गैर-चुंबकीय प्रकृति की व्याख्या की।

ऊपर वर्णित मापों के अलावा, वैज्ञानिकों ने पार्श्व बिखरने वाले वेक्टर ( 4 एफ ) के एक समारोह के रूप में प्रतिध्वनि बिखरने की तीव्रता और परिपत्र द्विभाजन की भी जांच की। सिद्धांत रूप में, विमान के साथ उलटा समरूपता के उल्लंघन के कारण बलोच संरचनात्मक घटकों की उपस्थिति फ्राइडल कानून का उल्लंघन करना चाहिए। यह इस कारण से है कि स्पेक्युलर विवर्तन चोटियों की तीव्रता में मनाया विषमता स्किर्मियन बुलबुले में बलोच ध्रुवीकरण घटक का प्रमाण है।

सभी अवलोकनों, गणनाओं और मापों को सारांशित करते हुए, हम विश्वास के साथ कह सकते हैं कि ध्रुवीय रेखाचित्रों के बुलबुले अध्ययन किए गए हेट्रोस्ट्रक्चर में मौजूद हैं।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं दृढ़ता से अनुशंसा करता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट देखें।

उपसंहार

इस अध्ययन में PbTiO3 परत में असामान्य गगनचुंबी संरचनाओं का पता चला। ये स्काईयर इलेक्ट्रिक होते हैं, चुंबकीय नहीं, जैसा कि हम उन्हें पहले कहते थे। इसके अलावा, वे नील और पिस्सू दोनों की विशेषताओं को जोड़ते हैं।

वैज्ञानिकों ने ध्यान दिया कि इस तरह के तीन आयामी स्किमरियन संरचना प्रसिद्ध दो आयामी से बहुत अलग है। स्किर्मियन बुलबुले को एक विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके स्थानांतरित किया जा सकता है, जो अधिक नियंत्रण और समान संरचनाओं का उपयोग करने की क्षमता देता है जहां यह पहले असंभव था।

भविष्य में, वैज्ञानिक इस अध्ययन का उपयोग सुपरलैटिटिस में स्पिन-चार्ज कपलिंग पर अपने अगले काम में करने की योजना बना रहे हैं। इस तरह की तकनीकों के व्यावहारिक अनुप्रयोग पर अभी तक चर्चा नहीं की गई है, क्योंकि बहुत कुछ का पता लगाया जाना बाकी है। एक बात स्पष्ट है - किसी भी सामग्री और उसके गुणों की संरचना पर नियंत्रण हासिल करना, आप अविश्वसनीय परिणाम प्राप्त कर सकते हैं।

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