Cerdanyola del Vallès, 10 de maig de 2019. La interacció d'intercanvi, la interacció antisimètrica (també coneguda com Dzyaloshinskii-Moriya) i l'anisotropia magnetocristal·lina pot causar textures magnètiques no-colinials, com els estats helicoïdals, cònics i de tipus skyrmion magnètic. La mida típica d'un skyrmion magnètic varia en un rang d'uns pocs a uns centenars de nanòmetres, el que els converteix en bons candidats per a futures aplicacions espintróniques com les memòries racetrack de skyrmion, entre altres, presentant un consum energètic molt baix i permetent una densitat d'emmagatzematge superior als dispositius de memòria en estat sòlid actuals.
La dispersió de raigs X tous coherents és una eina molt potent per estudiar l'ordenació dels espins en compostos magnètics multicomponents, per la seva capacitat de seleccionar elements concrets i la seva compatibilitat amb entorns de mostra extrems com són temperatures criogèniques i alts camps magnètics.
En aquest experiment, un grup d'investigadors del RIKEN Center of Emergent Matter Science, el National Institute for Materials Science, el Science and Technology Agency, la University of Tokyo, el Institute of Materials Structure Science i la Photon Factory, així com del Sincrotró ALBA, han estudiat un compostde tipus quiral basat en Co8Zn8Mn4 que presenta diferents fases magnètiques, en particular una fase ordenada de nano-skyrmions. Per dur a terme aquest experiment, es van emprar procediments de síntesi avançada de materials a les instal·lacions de RIKEN Center for Emerging Materials per obtenir un vidre de Co8Zn8Mn4, on posteriorment es va realitzar un laminat a escala nanomètrica mitjançant fresat de feix d'ions.
Els experiments amb raigs X es van realitzar en les línies de llum BL-16A en Photon Factory i BL29 BOREAS a ALBA. En particular, els mesuraments a l'ALBA es van realitzar a l'estació MaReS que permet obtenir imatges de dispersió coherent en camps magnètics d'alta aplicació a baixes temperatures. D'aquesta manera, els investigadors van poder obtenir imatges de la textura magnètica a temperatura criogènica de fins 20K sota camps magnètics aplicats de fins a 2 Tesla. Les imatges es van aconseguir mitjançant les tècniques HERALDO (holography with extended reference by autocorrelation linerar differential operation) i de difracció coherent en geometria de transmissió, ambdues explotant la gran coherència de la llum de sincrotró, i diverses tècniques per a la reconstrucció de fase (imatge).
Els investigadors van poder obtenir imatges de la textura magnètica a temperatura criogènica de fins 20K sota camps magnètics aplicats de fins a 2 Tesla. Les imatges obtingudes mitjançant la tècnica HERALDO (holography with extended reference by autocorrelation linerar differential operation) es va fer amb raigs X tous polaritzats circularment, mentre que les imatges de difracció coherent es van aconseguir amb un feix polaritzat linealment. La coherència de la llum de sincrotró va permetre combinar amb èxit la dispersió de raigs X d'angle petit en la geometria de transmissió amb imatges de difracció coherent i va emprar els patrons de dispersió d'angle petit per a la reconstrucció a l'espai real de la distribució de magnetització local a través de l'algoritme iteratiu de recuperació de fase, proporcionant informació complementària a les dades d'HERALDO. La síntesi avançada de materials i la nanofabricació de plaques fines de Co8Zn8Mn4 mitjançant fresat de feix d'ions es va realitzar al RIKEN Center. Els experiments amb raigs X es van realitzar en les línies de llum BL-16A de la Photon Factory i BL29 BOREAS a l'ALBA. En particular, els experiments a l'ALBA es van realitzar a l'estació MARES que permet obtenir imatges de dispersió coherent en camps magnètics d'alta aplicació a baixes temperatures.
Els dos mètodes d'observació, anomenats "sense lents", proporcionen una resolució de 30 nanómetres i van permetre els investigadors analitzar l'evolució d'una textura magnètica en el rang de temperatura entre 20 K i 120 K, registrant un allargament dels skyrmions al llarg dels principals eixos cristal·logràfics a baixes temperatures. Les simulacions micromagnétiques van mostrar que aquesta deformació es deu a una relació decreixent entre la interacció d'intercanvi simètric i la interacció antisimètrica Dzyaloshinskii-Moriya en el sistema i l'efecte de l'anisotropia cúbica. Això imita la frustració antiferromagnética a baixa temperatura de la sub-xarxa de Mn en Co8Zn8Mn8 . A temperatures més baixes, les correlacions antiferromagnéticas dels àtoms de Mn se superposen a la modulació helicoïdal (skyrmion) de llarg abast, el que provoca un escurçament del pas helicoïdal i la deformació dels skyrmiones. Es va trobar també que aquest efecte és reversible, a l'observar que la xarxa hexagonal de skyrmion de l'estat de skyrmion allargat es pot restaurar augmentant el camp magnètic aplicat.
Fig.: Esquema dels experiments de (a) dicroisme magnètic circular amb raigs X (XMCD), (b) dispersió coherent ressonant de raigs X tous (RSXS) i (c) holografia de raigs X de tipus HERALDO (d) Microscòpia electrònica (SEM) de l'obertura de la mostra RSXS. (I) Placa ultra-fina de Co8Zn8Mn8 fixada a la membrana. (F) Imatge de microscòpia electrònica de l'obertura i la referència.
Fig.: Panell superior (d'esquerra a dreta): imatge de microscòpia de la mostra aprimada per fresat de feix d'ions. Diagrama de flux de l'algoritme de recuperació de fase per a la reconstrucció d'imatge a partir dels patrons de raigs X coherents. Un patró de RSXS coherent mesurat des Co8Zn8Mn4 a temperatura de 25 K i camp magnètic B = 70 mt a l'estació MaReS (ALBA). Panell inferior (d'esquerra a dreta): reconstrucció en espai real del patró de magnetització obtingut per la rutina de recuperació de fase i el seu augment. Simulació micromagnètica de l'estructura de skyrmion allargada sota la influència d'una interacció d'intercanvi efectiva disminuïda i anisotropia cúbica.
Fig.: Patrons de difracció de raigs X tous coherents mesurats per la mostra de Co8Zn8Mn4 a la vora d'absorció L3 de Co a diferents temperatures 150 K, 120 K, 25 K (panell superior, d'esquerra a dreta) i un camp aplicat de 70 mT. La barra d'escala blanca correspon a 0.05 nm - 1. El panell inferior mostra simulacions micromagnétiques de les corresponents textures dels espins de skyrmions.
Agraïments
Aquest treball ha estat recolzat en part pel Nombre de subvenció PRESTO JPMJPR177A de l'Agència de Ciència i Tecnologia del Japó (JST), el projecte "Iniciativa d'Investigació de Materials per Integració d'Informació" (MI2) del Programa de Suport per a l'Inici del Centre d'Innovació de JST, la Societat del Japó per a la Promoció de la Ciència a través del Programa de Finançament de l'R + d Innovadora en Ciència i Tecnologia Líders en el Món (Programa FIRST), i el Número de Subvenció JSPs KAKENHI 16H05990 . V. O. agraeix el finançament de SNF Sinergia CRSII5-171003 NanoSkyrmionics. M. V. agraeix fons addicionals a través de les subvencions MICINN ICTS-2009-02, FIS2013-45469-C4-3-R i FIS2016-78591-C3-2-R (AEI / FEDER, UE).
