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扫描隧道显微镜揭示了稳定斯格明子晶格的起源

2021-06-08 14:54:27 健康养生 来源:

RIKEN 物理学家发现了电子之间的相互作用如何稳定称为斯格明子的旋转磁模式的重复排列,这可能有助于进一步开发这些结构。电子的自旋使其表现得像一个微型磁铁。在斯格明子中,这些自旋中的许多以类似小型龙卷风的漩涡模式排列。Skyrmions 作为一种在新一代高密度、低能耗数据存储设备中携带信息的手段非常有前途。

Skyrmions 表现得好像它们是不同的粒子,并且多个 Skyrmions 可以在某些类型的材料中将自己排列成规则的网格。但研究人员仍在争论这些稳定的斯格明子晶格是如何形成的。

为了发现更多关于斯格明子晶格的信息,RIKEN 紧急物质科学中心的 Yuuki Yasui 及其同事研究了一种称为钆钌硅化物(GdRu2Si2;图 1)的金属材料。材料钆原子中的电子在很大程度上决定了它的磁性,而钌原子则贡献了更易移动的“流动”电子。

该团队之前发现,通过对材料施加磁场,他们可以创建一个方形格子,以大约 2 纳米的间隔排列成网格图案。在这项新研究中,他们使用一种称为光谱成像扫描隧道显微镜 (SI-STM) 的技术来研究 GdRu2Si2 中的流动电子。

研究人员将材料冷却至 -271 摄氏度,并施加一系列磁场以产生不同的磁模式。SI-STM 测量表明,材料磁模式的变化反映在流动电子的分布中。至关重要的是,该团队还发现,由于局部和流动电子的自旋之间的相互作用,斯格明子晶格图案印在材料的流动电子上。

研究人员认为,这些相互作用可能在方形斯格明子晶格的形成中发挥重要作用。“所提出的机制稳定了斯格明子晶格,”Yasui 说。

该团队还根据局域电子和流动电子之间的相互作用进行了理论计算,以预测不同磁场下材料中流动电子的分布。这些分布与 SI-STM 观察到的模式非常相似,为研究人员提出的机制提供了支持。

除了提供有关斯格明子晶格如何稳定的线索外,研究表明,SI-STM 还可用于间接监测斯格明子的行为。“这可以为研究人员提供一种有用的工具来研究其他材料中的斯格明子晶格,”Yasui 说。


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