可能在材料中發生的微小磁渦旋——所謂的斯格明子(skyrmions)——對於新穎的電子設備或磁存儲器(將它們用作位來存儲信息)具有很高的希望。任何應用的基本前提是這些磁渦流的穩定性。基爾大學理論物理與天體物理研究所的一個研究小組現已證明,到目前為止,被忽略的磁性相互作用對於斯格明子(skyrmions)的穩定性起著關鍵作用,並且可以大大延長斯格明子(skyrmions)的壽命。他們的研究成果今天在《自然通訊》上發表,也為穩定新材料系統中的斯格明子(skyrmions)開闢了前景,而以前所認為的機制是不夠的。
圖1:通過高階交換相互作用穩定斯格明子(skyrmions)。 紅色曲線顯示了一個磁斯格明子(skyrmions)(左上方)塌陷到鐵磁背景(右下方)中的能壘。 在定義障礙物高度的曲線的最高點處,找到過渡狀態(右上方)。 視錐細胞顯示六角形晶格上單個原子的「原子棒狀磁體」。 銀色箭頭表示向上的圓錐形,紅色箭頭表示向下的圓錐形。 左下圖:沉積在具有(111)晶體取向的銠(Rh)表面上的鐵(Fe)原子層上的鈀(Pd)原子層的示意圖結構。
它們獨特的磁性結構——更確切地說是其拓撲結構——使斯格明子(skyrmions)具有穩定性,並防止其崩潰。因此,在磁化過程中,斯格明子(skyrmions)被表示為結。但是,在固體的原子晶格上,這種保護是不完善的,並且只有有限的能壘(圖1)。基爾大學的史蒂芬·海因茲(Stefan Heinze)教授解釋說:「這種情況可與躺在槽中的大理石相媲美,因此需要一定的動力才能從中逸出。能壘越大,斯格明子(skyrmions)穩定的溫度就越高。」
迄今為止,尤其是未來的自旋電子設備所需要的直徑低於10納米的斯格明子(skyrmions),迄今為止僅在非常低的溫度下被檢測到。由於應用通常在室溫下進行,因此提高能壘是當今有關斯格明子(skyrmions)研究的關鍵目標。
以前,已經建立了有助於勢壘的相關磁相互作用的標準模型。史蒂芬·海因茲(Stefan Heinze)教授研究小組的一組理論物理學家現在證明,迄今為止,一種磁相互作用已被忽略。 在1920年代,沃納·海森堡(Werner Heisenberg)可以通過量子機械交換相互作用來解釋鐵磁性的發生,該相互作用是由兩個原子之間電子的自旋相關的「跳躍」引起的。該研究的第一作者索維克·保羅博士說:「如果考慮到更多原子之間的電子跳躍,則會發生更高階的交換相互作用。」 但是,這些相互作用比海森堡提出的成對交換要弱得多,因此在對斯格明子(skyrmions)的研究中被忽略了。
圖2:在六邊形原子晶格上的高階交換相互作用的圖示。 彩色箭頭表示兩個位置(綠色),三個位置(藍色)和四個位置(紅色)之間的電子跳躍。 球體表示原子位點,箭頭表示「原子棒狀磁體」的方向。
基於在北德超級計算機聯盟(HLRN)的超級計算機上執行的原子模擬和量子力學計算,基爾的科學家現在解釋說,這些弱相互作用仍然可以為斯格明子(skyrmions)穩定性提供令人驚訝的巨大貢獻。尤其是在四個原子位點上的循環跳變(請參見圖2中的紅色箭頭)會極大地影響過渡態的能量(請參見圖1右上方的最高點),其中只有幾個原子棒磁體相對於每個原子棒傾斜其他。在模擬中甚至發現了穩定的抗臭劑,這對於將來的某些數據存儲概念很有用,但通常衰減太快。
高階交換相互作用出現在許多用於潛在天體離子應用的磁性材料中,例如鈷或鐵。它們還可以穩定先前無法考慮的磁相互作用或磁相互作用太小的磁性結構中的斯格明子(skyrmions)。因此,本研究為這些引人入勝的磁結研究開闢了新的有希望的途徑。