Dunia di sekitar kita tampaknya kacau dan tidak dapat diprediksi, tetapi ini tidak sepenuhnya benar. Berbagai proses adalah buah dari aktivitas fenomena fisik atau kimia tertentu yang mematuhi hukum yang tidak berubah sejak awal waktu. Keingintahuan manusia telah memungkinkan kita untuk menjawab banyak pertanyaan, untuk memahami bagaimana, apa dan mengapa terjadi. Dan semakin sulit bagi para ilmuwan untuk mendapatkan setidaknya sedikit kejutan selama penelitian mereka. Tapi kita tahu jauh dari segalanya, dan jauh dari segalanya seperti apa yang terlihat sebelumnya. Di sisi lirik, hari ini kita akan berkenalan dengan sebuah studi di mana sekelompok ilmuwan menemukan keberadaan chirality skyrmions kutub dalam materi yang mereka desain. Apa yang tidak biasa dalam hal ini, bagaimana perbedaan langit-langit ini dengan yang magnetik, dan mengapa para ilmuwan begitu tertarik mempelajari fenomena ini? Kami akan menemukan jawaban untuk ini dan pertanyaan lain dalam laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.
Dasar studi
Pertama-tama, perlu diingat apa itu skyrmion dan apa yang dimakannya. Sebelumnya, kita telah menyentuh topik skyrmions di artikel sebelumnya:Apa itu skyrmion magnetik?Pertama-tama, perlu diingat bahwa atom-atom bahan magnetik, yang memiliki momen magnetik elektronnya sendiri, berperilaku seperti magnet, dengan kata-kata sederhana. Ketika suatu zat bermagnet, putaran atom berbaris dengan cara tertentu, yang membuat zat ini menjadi magnet.
Pada 2009, para peneliti menemukan fitur atom individu yang sangat menarik. Punggung mereka dipelintir menjadi corong (vortisitas). Struktur serupa disebut skyrmion, untuk menghormati fisikawan Inggris Tony Skyrme, yang pada tahun 1962 menggambarkan model matematika dari pusaran putaran.
Gambar a - skyrmion "landak", b - spiral skyrmion.Salah satu fitur penting IT untuk skyrmions adalah stabilitas topologi mereka. Intinya adalah bahwa setiap gangguan dapat mengubah arah putaran, tetapi putarannya akan tetap sama. Dengan demikian, Anda dapat menyimpan informasi dalam bentuk biner: 0 - tidak ada skyrmion, 1 - ada skyrmion. Dan mengingat ukuran nanometer dari struktur tersebut, kepadatan penyimpanan informasi juga dapat meningkat secara signifikan.
Berasal dari informasi ini, keberadaan anti-skyrmions juga diasumsikan, yang muatan topologisnya akan berlawanan dengan skyrmions biasa.
Struktur putaran dua dimensi memiliki topologi nontrivial, yang bertanggung jawab atas tingkat stabilitas tertentu. Struktur seperti itu dicirikan oleh muatan topologis:
di mana
m = m (r, t) adalah vektor arah momen magnetik dalam ruang dan waktu.
Skyrmions
(q = 1 ) dan anti-skyrmions (
q = -1 ) memiliki muatan yang berlawanan dan dapat terjadi berpasangan jika terjadi deformasi keadaan homogen (
q = 0 ). Deskripsi dinamika skyrmions dan anti-skyrmions dapat diperkirakan jika inti dianggap tidak bergerak, yang mengurangi jumlah variabel yang diperlukan untuk menggambarkan gerakan mereka.
Rumus di bawah ini menjelaskan gerakan gyrotropik teredam dari posisi inti (X) dari skyrmions dan anti-skyrmions dalam menanggapi kekuatan yang diterapkan (F):
G, sama dengan -qG0z, adalah vektor gyro;
ฮฑ adalah konstanta atenuasi;
D0 adalah faktor struktural.Dinamika dalam persamaan di atas adalah non-Newtonian, dan karenanya respons gyrotropik bergantung pada q dan menentukan arah di mana inti bergerak.
Di sini perlu diklarifikasi: langit kutub adalah formasi topologi yang terdiri dari muatan listrik yang berlawanan, yaitu, dipol.
Fitur yang paling menarik adalah kenyataan bahwa gelembung skyrmion kutub ini adalah analog listrik dari skyrmion magnetik, tetapi bukan skyrmion magnetik. Skyrmions kutub yang dipelajari lebih baik, semakin kita akan memiliki alat untuk memanipulasi mereka dan, oleh karena itu, alat untuk mengendalikan chirality dan bahkan kapasitansi negatif.
Penelitian di bidang spintronics dan skyrmionics secara aktif mempertimbangkan skyrmion yang tepat magnetik. Namun, skyrmions kutub dari kehormatan ini tidak diberikan.
Bagaimana para ilmuwan sampai pada penemuan yang sedang kita pertimbangkan saat ini? Faktanya adalah bahwa struktur topologi yang kompleks adalah tempat yang bagus untuk belajar dan mencari fenomena dan fase eksotis yang muncul di dalamnya. Para ilmuwan, dengan mengubah batasan epitaxial, menemukan vesikel skyrmion kutub pada suhu kamar dalam lapisan titanat timbal (PbTiO
3 ) yang dilapisi di kedua sisi dengan lapisan strontium titanate (SrTiO
3 ), dengan kata lain, dalam struktur heterostruktur (PbTiO
3 )
n / (SrTiO
3 )
n .
Di belakang penelitian ini terdapat teori bahwa sangat mungkin untuk mendapatkan gelembung nanodomain dan struktur topologi seperti skyrmion dalam
feroelektrik * melalui interaksi energi elastis, elektrostatik, dan gradien.
Feroelektrik (atau feroelektrik ) * adalah terjadinya polarisasi spontan pada kristal pada suhu tertentu bahkan tanpa medan listrik eksternal.
Dan ferroelastik disebut zat kristal tunggal, yang kisi kristalnya dapat berubah bentuk secara spontan dengan penurunan suhu dan transisi fasa.
Sampel untuk penelitian - [(PbTiO
3 ) n / (SrTiO
3 )
n ]
m (n = 12-20, m = 1-8) - dibuat pada substrat kristal tunggal dari strontium titanate (SrTiO
3 ) dengan sputtering laser berdenyut dalam kombinasi dengan difraksi elektron cepat.
Analisis topologi (atas) dengan pemetaan RSM mengungkapkan pembentukan cincin (gambar
b dan
d ) dengan distribusi intensitas. Manifestasi dari fenomena topologis semacam itu di ruang timbal balik mungkin disebabkan oleh nanodomain feroelektrik.
Juga, analisis RSM menunjukkan kesepakatan antara topologi struktur tiga lapis dan substrat SrTiO
3 , di mana ukuran cincin dan lebarnya dalam bidang (
g ,
h ) hampir identik. Dalam hal ini, perbedaan yang kuat diamati dari nanodomain vortex periodik yang diamati sebelumnya pada DyScO
3 (
e ,
f ).
Itu perlu untuk mengetahui sumber pola difraksi tersebut, untuk mana metode visualisasi dengan TEM (mikroskop elektron transmisi) diterapkan.
Gambar No. 1TEM gambar tiga lapis (m = 1), yaitu heterostruktur dan superlattice yang diteliti (m = 8) masing-masing ditunjukkan dalam gambar
1a dan
1b . Dari mereka kita dapat melihat modulasi intensitas dengan skala panjang sekitar 8 nm, yang menunjukkan pembentukan daerah kutub antiparalel.
Gambar SEM (transmisi elektron pemindaian mikroskop) dari tri-layer memungkinkan untuk menentukan keberadaan campuran bulat (sekitar 8 nm dengan diameter) dan elemen lonjong (
1c ). Tetapi dalam superlattice, hanya array elemen bulat (
1d ) yang menang.
Para ilmuwan percaya bahwa topologi semacam itu sangat tidak biasa, karena fakta bahwa dinding domain dibagi menjadi banyak area dengan urutan yang lebih dekat sepanjang banyak arah planar, yang mengarah ke elemen melingkar dan memanjang yang berbeda. Sebelumnya, ini tidak diamati.
Insets (sudut kanan atas oleh
1s dan
1d ) menunjukkan gambar X-ray setelah transformasi Fourier cepat, yang jelas menunjukkan empat lobus dengan simetri rotasi, yaitu, dengan rotasi polarisasi yang tidak serupa.
Para ilmuwan kemudian melakukan serangkaian perhitungan matematis untuk mengkonfirmasi bahwa topologi yang diamati sangat mirip dengan skyrmion magnetik dan memiliki bilangan skyrmion yang akurat dan dapat didefinisikan. Perhitungan menunjukkan bahwa dipol listrik lokal terus-menerus berputar masuk dan keluar dari pesawat pada antarmuka antara PbTiO
3 dan SrTiO
3 (
2a dan
2b ).
Gambar No. 2Di bagian atas dan bawah lapisan PbTiO
3 , dipol memiliki polarisasi planar yang menghubungkan daerah atas dengan polarisasi yang berbeda dan daerah kutub bawah dengan konvergen (
2c ,
2e ). Kompaksi spin polarisasi juga diamati pada bidang x - y tengah lapisan PbTiO
3 (
2b ,
2d ).
Analisis tekstur polarisasi pada antarmuka atas dan bawah PbTiO
3 / SrTiO
3 (
2c ,
2e ) memungkinkan untuk mengungkapkan skyrmions dari tipe landak, tetapi skyrmions tipe spiral (
2d ) ditemukan di dalam lapisan PbTiO
3 .
Para ilmuwan juga menentukan tekstur polarisasi, di mana parameter orde lokal memiliki rotasi nol, tetapi divergensi positif (vektor diarahkan ke luar) di bidang atas (
2c ). Di bidang yang lebih rendah, situasi yang berlawanan terjadi (
2e ): ada divergensi negatif (vektor diarahkan ke dalam). Di lapisan tengah, komponen polarisasi planar hanya dimanifestasikan oleh komponen yang sejajar dengan dinding domain, seperti pada skyrmions spiral biasa (
2d ).
Dari pengamatan ini, para ilmuwan menyimpulkan bahwa gelembung tiga dimensi skyrmions kutub adalah semacam evolusi skyrmions dua dimensi sepanjang normal film: masing-masing, dari atas ke bawah lapisan PbTiO
3 , masing-masing, dari skyrmion "landak" ke spiral dan kembali ke landak. Struktur-struktur topologis ini, terlepas dari evolusinya, tetap setara, karena mereka dapat ditransformasikan menjadi satu sama lain karena deformasi terus menerus.
Langkah selanjutnya dalam studi sampel yang tidak biasa dengan sifat yang tidak biasa adalah studi tentang struktur atom dari gelembung skyrmion. Untuk melakukan ini, pemetaan polarisasi dilakukan (gambar
No. 3 ).
Gambar No. 3Pemetaan vektor perpindahan titanium dalam gambar yang diperoleh sebelumnya menunjukkan adanya bidang perpindahan mikroskopis di sekitar satu gelembung skyrmion. Peta vektor (
3a ), yang sesuai dengan data ini, menunjukkan wilayah di mana bias balik titanium bergerak dari tepi ke tengah, yang menyerupai struktur skyrmion "landak".
Pada penampang (
3b ), daerah kutub silindris dengan polarisasi antiparalel (atas-bawah) terlihat jelas. Vektor polarisasi berputar pada batas dekat antarmuka PbTiO
3 / SrTiO
3 , yang konsisten dengan perbedaan polarisasi yang diamati pada gambar
3a . Dengan menggabungkan kedua jenis gambar (dua dimensi dan dengan penampang), para ilmuwan mengungkapkan struktur serupa di bagian atas lapisan PbTiO
3 .
Menggunakan analisis 4D-PEME dari superlattice [(PbTiO
3 )
16 / (SrTiO
3 )
16 ]
8 , gambar (
3d ) dan peta urutan kutub diperoleh dengan menggunakan aliran probabilitas (
3e ). Untuk mengkonfirmasi pengamatan, para ilmuwan melakukan simulasi propagasi balok melalui struktur model yang ditunjukkan pada gambar No. 2. Hasil simulasi ditunjukkan pada
3f dan
3g .
Totalitas dari pengamatan ini menunjukkan pembentukan struktur skyrmion kutub, komponen yang mirip dengan struktur "landak", di mana arah polarisasi berputar dari atas ke bawah dari pusat ke tepi skyrmion. Rotasi divergen dan konvergen polarisasi di bagian atas dan bawah struktur polar menyerupai konfigurasi putaran skyelmion Nรฉel dalam ferromagnet. Struktur seperti itu seharusnya, menurut para ilmuwan, memiliki sifat non-standar, seperti kiralitas dan nol angka langit.
Itu perlu untuk memverifikasi mengapa difraksi resonansi radiasi x-ray superlattice [(PbTiO
3 )
16 / (SrTiO
3 )
16 ]
8 dilakukan.
Gambar No. 4Menurut struktur yang disimulasikan (gambar No. 2), garis imajiner di sepanjang setiap arah di bidang pusat dari setiap lapisan PbTiO
3 hanya memotong dinding domain Bloch, akibatnya polarisasi lokal menunjukkan rotasi spiral di sepanjang garis ini. Tekstur spiral polarisasi serupa hampir identik dengan konfigurasi yang terjadi pada array polar-vortex. Dengan demikian, ini harus mengarah pada sinyal dichroic serupa dari struktur elektronik kiral.
Sebuah studi RSM menunjukkan adanya dua set pemesanan (
4a ). Pertama, di sepanjang arah di luar pesawat ada puncak reguler yang terkait dengan periodisitas di luar bidang superlattice (sekitar 12 nm). Kedua, ada puncak satelit (salah satunya di
4b ) dalam arah tegak lurus atau planar, sesuai dengan pemesanan planar struktur polar (sekitar 8 nm). Karena energi sinar-X disetel melalui tepi penyerapan titanium L3 dan L2, intensitas puncak difraksi satelit sensitif terhadap distorsi periodik, khususnya, pada fitur kiral orbital titanium anisotropik.
Dengan mengukur spektrum dengan cahaya terpolarisasi sirkuler kanan dan kiri (
4c ), memisahkan fluoresensi latar belakang (
4d ) dan dengan mempertimbangkan perbedaan antara dua spektra yang diperoleh (
4e ), para ilmuwan mengukur x-ray circle dichroism. Kehadiran dichroism diucapkan di tepi L
3 menunjukkan adanya struktur kiral. Dalam hal ini, dichroism melingkar diamati di superlattice dan di tiga lapisan.
Para ilmuwan menjelaskan sifat non-magnetik dari dichroism bundar yang diamati dengan konfigurasi kiral momen quadrupole muatan.
Selain pengukuran yang dijelaskan di atas, para ilmuwan juga memeriksa intensitas hamburan resonansi dan dichroism melingkar sebagai fungsi dari vektor hamburan lateral (
4f ). Secara teori, keberadaan komponen struktural Bloch harus melanggar hukum Friedel karena pelanggaran simetri inversi di sepanjang pesawat. Karena alasan inilah asimetri yang teramati dalam intensitas puncak difraksi specular adalah bukti komponen polarisasi Bloch dalam gelembung skyrmion.
Merangkum semua pengamatan, perhitungan, dan pengukuran, kita dapat dengan yakin mengatakan bahwa gelembung-gelembung langit kutub hadir dalam heterostruktur yang diteliti.
Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sangat menyarankan agar Anda melihat
laporan para ilmuwan.Epilog
Studi ini mengungkapkan struktur skyrmion yang tidak biasa di lapisan PbTiO3. Skyrmions ini adalah listrik, bukan magnet, seperti yang biasa kita sebut sebelumnya. Selain itu, mereka menggabungkan karakteristik Neel dan Flea.
Para ilmuwan mencatat bahwa struktur skyrmion tiga dimensi seperti itu sangat berbeda dari dua dimensi yang terkenal. Gelembung Skyrmion dapat dipindahkan menggunakan medan listrik, yang memberikan kontrol lebih besar dan kemampuan untuk menggunakan struktur serupa di mana ini sebelumnya tidak mungkin.
Di masa depan, para ilmuwan berencana untuk menggunakan studi ini dalam pekerjaan mereka selanjutnya pada coupling spin-charge dalam superlattices. Aplikasi praktis dari teknologi tersebut belum dibahas, karena masih banyak yang harus dieksplorasi. Satu hal yang jelas - mendapatkan kontrol atas struktur bahan apa pun dan sifat-sifatnya, Anda dapat mencapai hasil yang luar biasa.
Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan!
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda,
diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim panas gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di
sini .
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?