Недавно группа ученых из Сингапура и Израиля объявила о важном прорыве в понимании поведения магнитных скирмионов. Они впервые показали, что присутствие магнитных скирмионов однозначно связано с явлением, известным как топологический эффект Холла, который описывает, как электрические токи отклоняются возникающим магнитным полем скирмиона.
Работа опубликована в марте 2019 года в журнале Nature Communications.
Команда исследовала синтетический наноматериал, оптимизированный для размещения магнитных скирмионов, состоящий из последовательных слоев иридия, железа, кобальта и платины, каждый из которых имеет толщину нанометра или меньше. В 2017 году тот же наноматериал предоставил самые ранние доказательства топологического эффекта Холла при комнатной температуре, наблюдаемого исследовательской группой Христоса Панагопулоса из Технологического университета Наньянг, Сингапур (NTU Singapore), который также руководил настоящей работой.
Профессор Панагопулос и его сотрудники показали, что холловское сопротивление наноматериала – отношение поперечного напряжения к электрическому току в присутствии магнитного поля – содержит аномалии, которые трудно объяснить, кроме как эффектом магнитных скирмионов.
«Интересная особенность того, как скирмионы влияют на сопротивление Холла, заключается в том, что оно зависит от того, как намагниченность закручивается вокруг каждого скирмиона», – объясняет Панагопулос. «Математически такие изгибы называются« топологическими »особенностями, поэтому физическое явление называется« топологическим эффектом Холла »."
Однако некоторые аспекты экспериментов 2017 года оставались труднообъяснимыми. Данные, казалось, указывают на то, что аномалии в сопротивлении Холла были в 100 раз больше, чем теоретические предсказания, основанные на топологическом эффекте Холла.
Чтобы установить определенную связь, электрические измерения необходимо было тщательно согласовать с прямыми наблюдениями магнитных скирмионов. Для этого группа Панагопулоса сотрудничала с лабораторией Офира Ауслендера в Технионе, Израильского технологического института. Используя современный низкотемпературный магнитно-силовой микроскоп, группа Ауслендера получила высокоточные изображения скирмионов в наноматериале.
Примечательно, что они обнаружили, что определенные «червеобразные» модели намагничивания были сформированы несколькими скирмионами, соединенными вместе.
Объединив электрические измерения Холла и магнитную визуализацию, коллаборации удалось значительно сократить расхождение между теорией и экспериментом. «Первое, что мы поняли, это то, что количество магнитных скирмионов было недооценено в десять раз», – говорит М. Раджу, научный сотрудник НТУ, который является одним из ведущих авторов исследования. «Копнув глубже, мы смогли показать, что количество магнитных скирмионов прямо пропорционально топологическому холловскому сопротивлению.
Это убедительное доказательство того, что виноваты скирмионы, а не какое-то другое неучтенное явление."
Несмотря на это достижение, профессор Панагопулос отмечает, что топологическое сопротивление Холла остается выше, чем предсказывает теория, и предполагает, что оставшееся несоответствие может быть вопросом теоретических ограничений. «Концепция топологического эффекта Холла основана на предположениях, таких как адиабатичность, которые теоретически удобны, но могут быть неточными для реальных материалов», – отмечает он. «С помощью этих усовершенствованных экспериментальных методов мы строим более сложное понимание того, как электрические заряды взаимодействуют с магнитным спином в этих важных и технологически многообещающих материалах."