O mundo ao nosso redor parece caótico e imprevisível, mas isso não é inteiramente verdade. Vários processos são frutos da atividade de certos fenômenos físicos ou químicos que obedecem a leis inalteradas desde o início dos tempos. A curiosidade humana nos permitiu responder muitas perguntas, entender como, o que e por que está acontecendo. E está se tornando cada vez mais difícil para os cientistas obter pelo menos uma pequena surpresa durante suas pesquisas. Mas sabemos longe de tudo, e longe de tudo é o que parecia antes. Ao lado da letra, hoje vamos nos familiarizar com um estudo em que um grupo de cientistas descobriu a presença da quiralidade de skyrmions polares no material que eles projetaram. O que é incomum nisso, como esses skyrmions diferem dos magnéticos, e por que os cientistas estão tão interessados em estudar esse fenômeno? Encontraremos respostas para essas e outras perguntas no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá
Base de estudo
Antes de tudo, vale lembrar o que é um skyrmion e o que é comido. Anteriormente, já abordamos o tópico de skyrmions em artigos anteriores:O que é skyrmion magnético?Para começar, vale lembrar que os átomos dos materiais magnéticos, que têm seu próprio momento magnético de elétron, se comportam como ímãs, em palavras simples. Quando uma substância é magnetizada, os giros dos átomos se alinham de uma certa maneira, o que faz dessa substância um ímã.
Em 2009, os pesquisadores descobriram uma característica muito fascinante dos átomos individuais. Suas costas foram torcidas em funis (vórtices). Uma estrutura semelhante foi chamada skyrmion, em homenagem ao físico britânico Tony Skyrme, que em 1962 descreveu um modelo matemático de rotações de vórtice.
Imagem a - skyrmion “ouriço”, b - skyrmion em espiral.Uma das características importantes da TI para skyrmions é sua estabilidade topológica. A conclusão é que qualquer distúrbio pode mudar a direção dos giros, mas a torção permanecerá a mesma. Assim, você pode armazenar informações em formato binário: 0 - não há skyrmion, 1 - existe um skyrmion. E dado o tamanho do nanômetro dessas estruturas, a densidade de informações de armazenamento também pode aumentar significativamente.
A partir dessas informações, também foi assumida a existência de anti-skyrmions, cuja carga topológica será oposta aos skyrmions comuns.
As estruturas de rotação bidimensionais possuem uma topologia não trivial, responsável por seu certo nível de estabilidade. Tais estruturas são caracterizadas por uma carga topológica:
onde
m = m (r, t) é o vetor de direção dos momentos magnéticos no tempo e no espaço.
Skyrmions
(q = 1 ) e anti-skyrmions (
q = -1 ) têm cargas opostas e podem ocorrer em pares se ocorrer uma deformação de um estado homogêneo (
q = 0 ). A descrição da dinâmica de skyrmions e anti-skyrmions pode ser aproximada se o núcleo for considerado imóvel, o que reduz o número necessário de variáveis para descrever seu movimento.
A fórmula abaixo descreve o movimento girotrópico amortecido da posição do núcleo (X) de skyrmions e anti-skyrmions em resposta à força aplicada (F):
G, igual a -qG0z, é um vetor de giroscópio;
α é a constante de atenuação;
D0 é um fator estrutural.A dinâmica na equação acima é não newtoniana e, portanto, a resposta girotrópica depende de q e determina a direção na qual o núcleo se move.
Aqui vale a pena esclarecer: os skyrmions polares são formações topológicas que consistem em cargas elétricas opostas, isto é, dipolos.
A característica mais interessante é o fato de que essas bolhas de skyrmion polares são análogos elétricos de skyrmions magnéticos, mas não skyrmions magnéticos como tais. Quanto melhores skyrmions polares estudados, mais teremos ferramentas para manipulá-los e, portanto, ferramentas para controlar a quiralidade e até a capacitância negativa.
Pesquisas no campo da spintrônica e skyrmionics estão considerando ativamente precisos skyrmions magnéticos. No entanto, os skyrmions polares desta honra não foram premiados.
Como os cientistas chegaram à descoberta que estamos considerando hoje? O fato é que estruturas topológicas complexas são um ótimo local para estudar e procurar fenômenos e fases exóticas que surgem nelas. Os cientistas, ao alterar as limitações epitaxiais, descobriram bolhas de skyrmion polar à temperatura ambiente em uma camada de titanato de chumbo (PbTiO
3 ), revestida em ambos os lados com camadas de titanato de estrôncio (SrTiO
3 ), em outras palavras, na heteroestrutura (PbTiO
3 )
n / (SrTiO
3 )
n .
Por trás deste estudo está a teoria de que é bem possível obter bolhas de nanodomain e estruturas topológicas semelhantes a skyrmion em
ferroelétricas * pela interação de energias elástica, eletrostática e gradiente.
Ferroeletricidade (ou ferroeletricidade ) * é a ocorrência de polarização espontânea em um cristal a uma certa temperatura, mesmo sem um campo elétrico externo.
E o ferroelástico é chamado de substâncias monocristalinas, cuja estrutura cristalina pode se deformar espontaneamente com a diminuição da temperatura e da transição de fase.
As amostras para o estudo - [(PbTiO
3 ) n / (SrTiO
3 )
n ]
m (n = 12-20, m = 1-8) - foram fabricadas em substratos de cristal único a partir de titanato de estrôncio (SrTiO
3 ) por pulverização a laser pulsada em combinação com difração de elétrons rápidos.
Uma análise da topologia (acima) pelo mapeamento de RSM revelou a formação de anéis (imagens
bec ) com distribuição de intensidade. Manifestações de tal fenômeno topológico no espaço recíproco podem ser devidas a nanodomains ferroelétricos.
Além disso, a análise RSM mostrou a correspondência das topologias da estrutura de três camadas e do substrato SrTiO
3 , onde o tamanho do anel e sua largura no plano (
g ,
h ) são quase os mesmos. Nesse caso, uma forte diferença é observada em relação aos nanodomains de vórtice periódicos observados anteriormente no DyScO
3 (
e ,
f ).
Foi necessário descobrir a fonte desse padrão de difração, para o qual o método de visualização por TEM (microscópio eletrônico de transmissão) foi aplicado.
Imagem Nº 1Imagens TEM de três camadas (m = 1), ou seja, a heteroestrutura e o super-retículo estudados (m = 8) são mostrados nas imagens
1a e
1b , respectivamente. A partir deles podemos notar a modulação da intensidade com uma escala de comprimento de cerca de 8 nm, o que indica a formação de regiões polares antiparalelas.
As imagens SEM (microscópio eletrônico de varredura de transmissão) da tripla camada permitiram determinar a presença de uma mistura de elementos redondos (cerca de 8 nm de diâmetro) e oblongos (
1c ). Mas no superlattice, apenas matrizes de elementos redondos (
1d ) prevaleceram.
Os cientistas acreditam que essa topologia é bastante incomum, devido ao fato de que as paredes do domínio são divididas em muitas áreas de uma ordem mais próxima ao longo de várias direções planares, o que leva a distintos elementos circulares e alongados. Anteriormente, isso não era observado.
As inserções (canto superior direito em
1s e
1d ) mostram imagens de raios-X após uma rápida transformação de Fourier, que mostra claramente quatro lobos com simetria rotacional, ou seja, com uma rotação de polarização não semelhante.
Os cientistas então conduziram uma série de cálculos matemáticos para confirmar que a topologia observada é muito semelhante aos skyrmions magnéticos e tem um número preciso e definível de skyrmion. Os cálculos mostraram que dipolos elétricos locais constantemente giram dentro e fora do plano na interface entre PbTiO
3 e SrTiO
3 (
2a e
2b ).
Imagem No. 2Nas partes superior e inferior da camada PbTiO
3 , os dipolos possuem polarização planar conectando as regiões superiores com polarização divergente e as regiões polares inferiores com convergência (
2c ,
2e ). Uma compactação da polarização do spin também é observada no plano x - y médio da camada PbTiO
3 (
2b ,
2d ).
Uma análise da textura de polarização nas interfaces superior e inferior de PbTiO
3 / SrTiO
3 (
2c ,
2e ) tornou possível revelar skyrmions do tipo ouriço, mas skyrmions do tipo espiral (
2d ) foram encontrados dentro da camada de PbTiO
3 .
Os cientistas também determinaram a textura da polarização, onde o parâmetro da ordem local tem rotação zero, mas divergência positiva (os vetores são direcionados para fora) no plano superior (
2c ). No plano inferior, ocorre a situação oposta (
2e ): há uma divergência negativa (os vetores são direcionados para dentro). Na camada intermediária, o componente de polarização planar é manifestado apenas por um componente paralelo à parede do domínio, como em skyrmions espirais comuns (
2d ).
A partir dessas observações, os cientistas concluíram que bolhas tridimensionais de skyrmions polares são uma espécie de evolução de skyrmions bidimensionais ao longo do normal do filme: do topo ao fundo da camada PbTiO
3 , respectivamente, do skyrmion "ouriço" à espiral e novamente ao ouriço. Essas estruturas topológicas, apesar de sua evolução, permanecem equivalentes, pois podem ser transformadas umas nas outras devido à deformação contínua.
O próximo passo no estudo de uma amostra incomum com propriedades incomuns foi o estudo da estrutura atômica de uma bolha de skyrmion. Para isso, foi realizado o mapeamento da polarização (imagem
nº 3 ).
Imagem No. 3O mapeamento do vetor de deslocamento de titânio nas imagens obtidas anteriormente mostrou a presença de um campo microscópico de deslocamento em torno de uma bolha de skyrmion. O mapa vetorial (
3a ), correspondente a esses dados, mostra a região na qual o viés reverso do titânio se move da borda para o centro, que se assemelha à estrutura de um skyrmion "ouriço".
Na seção transversal (
3b ), uma região polar cilíndrica com polarização antiparalela (de cima para baixo) é claramente visível. O vetor de polarização gira nos limites próximos à interface PbTiO
3 / SrTiO
3 , o que é consistente com a discrepância de polarização observada na imagem
3a . Ao combinar os dois tipos de imagens (bidimensionais e com uma seção transversal), os cientistas revelaram uma estrutura semelhante na parte superior da camada de PbTiO
3 .
Utilizando uma análise 4D-PEME do superláttico [(PbTiO
3 )
16 / (SrTiO
3 )
16 ]
8 , foram obtidas uma imagem (
3d ) e um mapa de ordem polar usando o fluxo de probabilidade (
3e ). Para confirmar as observações, os cientistas realizaram uma simulação da propagação do feixe através da estrutura do modelo mostrado na imagem nº 2. Os resultados da simulação são mostrados em
3f e
3g .
A totalidade dessas observações indica a formação de uma estrutura de skyrmion polar, cujos componentes são semelhantes à estrutura do ouriço, onde a direção da polarização gira de cima para baixo do centro para a borda do skyrmion. A rotação divergente e convergente da polarização nas partes superior e inferior da estrutura polar se assemelha à configuração de rotação dos skyrmions de Néel nos ferromagnetos. De acordo com os cientistas, essas estruturas devem ter propriedades não padronizadas, como quiralidade e número de skyrmion zero.
Foi necessário verificar por que a difração de ressonância da radiação de raios-X do superlático [(PbTiO
3 )
16 / (SrTiO
3 )
16 ]
8 foi realizada.
Imagem No. 4De acordo com a estrutura simulada (imagem nº 2), uma linha imaginária ao longo de qualquer direção no plano central de cada camada de PbTiO
3 cruza apenas as paredes do domínio Bloch, como resultado da polarização local mostrando uma rotação em espiral ao longo desta linha. Uma textura de polarização espiral semelhante é quase idêntica à configuração que ocorre nas matrizes de vórtice polar. Consequentemente, isso deve levar a um sinal dicróico semelhante de uma estrutura eletrônica quiral.
Um estudo RSM mostrou a presença de dois conjuntos de pedidos (
4a ). Primeiro, ao longo da direção fora do plano, existem picos regulares associados à periodicidade fora do plano do superlattice (cerca de 12 nm). Segundo, existem picos de satélite (um deles em
4b ) na direção perpendicular ou planar, correspondendo à ordenação planar das estruturas polares (cerca de 8 nm). Como a energia dos raios X é sintonizada através das bordas de absorção do titânio L
3 e L
2 , a intensidade dos picos de difração do satélite é sensível a distorções periódicas, em particular às características quirais dos orbitais anisotrópicos de titânio.
Medindo os espectros com luz polarizada circular direita e esquerda (
4c ), separando a fluorescência de fundo (
4d ) e levando em consideração a diferença entre os dois espectros obtidos (
4e ), os cientistas mediram o dicroísmo circular de raios-x. A presença de dicroísmo pronunciado na borda de L
3 indica a presença de estruturas quirais. Nesse caso, observou-se dicroísmo circular tanto no superlattice como nas três camadas.
Os cientistas explicam a natureza não magnética do dicroísmo circular observado pela configuração quiral dos momentos de quadrupolo de carga.
Além das medidas descritas acima, os cientistas também verificaram a intensidade de espalhamento de ressonância e o dicroísmo circular em função do vetor de espalhamento lateral (
4f ). Em teoria, a presença de componentes estruturais de Bloch deve violar a lei de Friedel devido à violação da simetria de inversão ao longo do plano. É por esse motivo que a assimetria observada na intensidade dos picos de difração especular é evidência do componente de polarização de Bloch nas bolhas de skyrmion.
Resumindo todas as observações, cálculos e medições, podemos dizer com segurança que as bolhas de skyrmions polares estão presentes na heteroestrutura estudada.
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo fortemente que você analise o
relatório dos cientistas.Epílogo
Este estudo revelou estruturas incomuns de skyrmion na camada de PbTiO3. Esses skyrmions são elétricos, não magnéticos, como costumávamos chamá-los anteriormente. Além disso, eles combinam as características de Neel e Flea.
Os cientistas observam que essa estrutura skyrmion tridimensional é muito diferente da conhecida bidimensional. As bolhas de Skyrmion podem ser movidas usando um campo elétrico, o que proporciona maior controle e a capacidade de usar estruturas semelhantes onde isso era impossível anteriormente.
No futuro, os cientistas planejam usar este estudo em seu próximo trabalho sobre acoplamento de carga de rotação em superláticos. A aplicação prática de tais tecnologias ainda não foi discutida, pois ainda há muito a ser investigado. Uma coisa é clara: ganhando controle sobre a estrutura de qualquer material e suas propriedades, você pode obter resultados incríveis.
Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal!
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