Liczby skrymionowe magnetyczne i interakcja Dzyaloshinskii-Moriya

Interakcja Dzyaloshinskiego-Moriyiego

Interakcja Dzyaloshinskiego-Moriyiego pojawia się mikroskopijnie z powodu sprzężenia spin-orbitarnego w magnetycznych systemach brakających symetrii odwrotności, albo dlatego struktura krystaliczna jest chiralna (np. w spodziewanym układzie B20 MnSi), albo symetria odwrotności jest zbrożona lokalnie na granicy między magnetykiem ferromagnetycznym a ciężkim metalu o silnym sprzężeniu spin-orbitarnym (np. w multilaminatowych warstwach Pt/Co/Ir). Jako że symetryczna wymiana Heisenberga, zapisana jako iloczyn skalarny dwóch sąsiadujących spinów i prostopadły do siebie, prosi tylko o równoległe lub antyparalelne ułożenie, interakcja DMI jest zapisywana jako wektor - wektor DMI - wskazywany przez iloczyn wektorowy dwóch sąsiadujących spinów. Interakcja DMI jasno określa orientację spinów, co przesuwa stan magnetyczny ferromagnetyczny jednorodny do helikoidalnego lub spiralnego ułożenia spinowego w braku pola magnetycznego, a w połączeniu z zewnętrznym polem magnetycznym, które prosi o jednorodne ułożenie spinów, tworzy delikatną energetyczną równowagę, z której wynurzają się skrymiony lokalizowane i siatkowe skrymiony. Ponieważ znak interakcji DMI jest ustalony przez podstawowe sprzężenie spin-orbitarne i chiralność krystaliczna lub graniczna, również ustala chiralność wynikających skrymionów, odmiennie oddzielając typy skrymionów Blocha, powszechnych w grubej magnetyce chiralnej, gdzie spin jest obracany w płaszczyźnie tangencjalnej do kręgów okolicy skrymionu, od typów skrymionów Neela, powszechnych w systemach warstwowych na granicy, gdzie spin obraca się radialnie, wskazując bezpośrednio ku lub od okolicy.

Ochrona topologiczna i liczba skrymiona

Charakterystycznym matematyczne cechą skrymionu jest jego ładunek topologiczny, nazywany również liczbą skrymionową, obliczany przez całkowanie ukośnego kąta lokalnego, jaki wykona wskazanie magnetyczne podczas przemieszczenia się po dwuwymiarowej płaszczyźnie. Dla idealnego izolowanego skrymiona ta całka ocenia się dokładnie jako liczba całkowita, zazwyczaj plus lub minus jeden. Ta liczba jest invariante topologiczna: może zmieniać się tylko wtedy, gdy pole magnetyczne przechodzi przez singularną, diskontynuowaną konfigurację gdzieś wraz ze zmianami, ponieważ dowolna gładka i kontinuowana deformacja tekstury z ładunkiem topologicznym jeden nadal ma ładunek topologiczny jeden, niezależnie od tego, jak bardzo go lokalnie deformatywnie przerób. Fizycznie, cofnięcie skrymionu do stanu uniformowego wymaga przejścia przez taką singularną punkt, który w rzeczywistym magnetycznym materiale odpowiada szybkiej, zlokalizowanej odwróceniu jednego spinu, zdarzeniu kosztującemu skończone i często znaczącego bariery energetycznej. To dokładnie jest to, co sprawia, że skrymiony są mocne: odpowiadają one bardziej efektywnie na uszkodzenia spowodowanefluktuacjami termicznymi, słabo zewnętrznych perturbacjach lub interakcjach z defektami materiału niż konwencjonalne, topologicznie trywialne bąble magnetyczne lub domeny, których proces uszkodzenia nie wymaga przekroczenia żadnej takiej bariery. Rozmiar tej chroniącej bariery energetycznej zależy od miedzykolowności materiału, siły DMI i anizotropii, a zrozumienie i inżynieria jej jest kluczowe dla technologii opartej na skrymionach, ponieważ za mała bariera oznacza niechciane tworzenie i annulowanie skrymionów spowodowane fluktuacjami termicznymi (korupcję danych w aplikacjach pamięci), podczas gdy za duża bariera może sprawiać, że zdecydowane pisanie lub usuwanie skrymionów jest bardziej trudne.

Diagram fazowy: heliczoidalny, siatkowy skyrmiona i stan polarizacji pola zewnętrznego

Faza magnetyczna równowagowa w magnecie chiralnym zależy bardzo delikatnie od stosunku siły DMI do masywu wymiany oraz od siły zastosowanego pola zewnętrznego, co powoduje bogaty diagram fazowy. W niskim polu lub przy niemal zerowym polu, konkurencja między siłą DMI a masusem wymiany zwykle stabilizuje stan heliczoidalny spinów, spontaniczny, okresowy spiralny ustawieni spinów o długości fali ustalonej przez stosunek masywu wymiany do siły DMI, i bez zastosowania pola jest potrzebne do stworzenia tego okresowego obrotu. Gdy zastosowano pole zewnętrznego i zwiększone, stan heliczoidalny jest stopniowo deformowany i, w pewnym zakresie średniej siły pola, może przejść na fazę siatkowej skrympionowej, w której koszt energetyczny utrzymania pełnego porządku heliczoidalnego wszędzie przewyższa korzyści z orientacji większości próby zgodnie z polem zewnętrznym, zachowując przy tym zdolność DMI do stabilizowania lokalnych, topologicznie chronionych obrotów. W dalszej mierze pola, energia Zeema dominuje całkowicie, skrympiony są jednostronnie lub zbiorowo anihilowane, a system wejdzie w stan banalnie polarizowany (jednolitego ustawienia spinów) z pola zewnętrznego. W wielu materiałach sztucznych ten zakres fazowy siatkowej skrympionowej, często widziany jako mała zamknięta obszar, często nazwany 'A-fazą' w oryginalnych badaniach MnSi, zajmuje tylko szeroki zakres pola i temperatury, choć innowacyjne techniki interfejsowe i filmów cienkich, wraz z precyzyjnymi projektami materiałów, znacznie rozszerzyły i w niektórych systemach nawet przedłużono ten zakres stabilności do temperatury pokojowej, kluczowy wymóg dla praktycznych zastosowań.

Formowanie siatkówki skrymionowej i oznaki difrakcji neutronowej

Samozorganizacja pojedynczych skrymionów w regularną siatkę trójkątną jest samodzielnym przykładem zjawiska emergencji: identyczne, odwrotnie oddziałujące tekstury cząstkowe naturalnie ukladają się w taki sam gęstościowy szesciokątny układ, który minimalizuje energię dla dowolnej grupy wzajemnie odwrotnie oddziałujących obiektów w dwuwymiarowej przestrzeni, od wirków w supperkonduktorach typu II do cząsteczek koloidalnych. bezpośredni experimentowy znać o tej samozorganizowanej siatkie jest pięknym szóstokątnym symetrycznym wzorem difracji obserwowanym w małych kątach difrakcji neutronowej, gdzie neutrony odskaczają od periodaryzowanego magnetycznego teksturowania i tworzą sześć ostre, podobne do Braggowe punkty skupione w heksagonie w przestrzeni odwrotnej, bezpośrednio odzwierciedlające trójkątny siatkowy układ skrymionów w rzeczywistej przestrzeni, pierwszy raportowany dla bulkowego MnSi w studium landmakowym z 2009 roku, które ustanowiło siatkówkę skrymionową jako prawdziwej fazę termodynamicznej materiału, a nie metastabilny artefakt. Komplementarne techniki obrazowania w przestrzeni rzeczywistej, szczególnie mikroskopia elektronowa Lorentza i mikroskopowanie tunnelowe polarizowane spinowo, od tego czasu bezpośrednio widoczne są pojedyncze skrymiony oraz ich układ siatkowy zarówno dla bulkowych krystalów, jak i dla zaprojektowanych cienkich pokładów, potwierdzając charakterystyczną obracającą się teksturę spinową i jej gęstościowy szesciokątny układ, a także umożliwiają szczegółowe studia defektów siatkowych, dynamiki oraz nukleacji i anihilacji pojedynczych skrymionów w czasie rzeczywistym.

Skyrmyony w pamięci spinowej i logice

Technologiczne zasady skrzyżowania się zalet skrzyżowań magnetycznych polegają na kilku połączonej korzyściach nad tradycyjnymi ścianami domenowymi używanymi w istniejących konceptach pamięci torowej. Ponieważ skrzyżowania są chronione topologicznie, są naturalnie bardziej stabilne pod wpływem szumu termicznego i zaciążeń na defektach materiału niż ściany domenowe, które mogą łatwo być deformowane lub zniszczone. Ponieważ są zwykle nanometrów do dziesiątek nanometrów w rozmiarze, znacznie mniejszych niż typowa odstępy między ścianami domenowymi, obiecują dużo większą gęstość przechowywania danych. Najważniejsze zalety mogą polegać na tym, że skrzyżowania można przesunąć przez polaryzowane spinowe prądy o gęstości wielokrotnie niższą niż ta wymagana do poruszania tradycyjnych ścian domenowych, dzięki efektywnemu sprzężeniu między spinami elektronów transportującymi a topologicznym wzorem spinowym skrzyżowania, opisanym jako emergentny podobny do magnetyzmu siła czasem nazywana efektem Halla topologicznego. W tym efekcie obrótowy wzór spinowy skrzyżowania działa na przechodnie elektrony transportujące tak samo jak prawdziwy pol polega na działaniu na cząstkę ładunkową. Ta kombinacja stabilności, małych rozmiarów i ruchu przy niskiej gęstości prądu podstawia skrzyżowania do zaproponowanych konceptów pamięci torowej z skrzyżowaniami, gdzie szereg skrzyżowań przesuwa się po nanotworze obok głowy odczytu/napisania, oraz do zaproponowanych schematów obliczeniowych neuromorficznych i niekonwencjonalnych wykorzystujących ich dynamiczne zachowanie cząsteczkowe, interakcje, nawet tworzenie i znikanie par skrzyżowania antyskrzyżowania jako podstawowych elementów obliczeniowych.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Magnetic Skyrmion Lattices and the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.