Vols estar al dia? Subscriu-te al nostre newsletter. 1 E-mail cada 2 Mesos! |
 |
Figura 1. Il·lustració esquemàtica de les estructures d’espí helicoidal (esquerra), cicloidal (centre) y anti-skyrmiónica (dreta) en materials no centrosimétrics pertanyents al grup de simetria D2d.
Cerdanyola del Vallès (Barcelona), 23 de desembre de 2022. Els moments magnètics atòmics en materials amb espins electrònics desaparellats poden estar subjectes a les interaccions. Entre elles es troben la interacció dipolar i la interacció de bescanvi, que en gran mesura governen l'orientació relativa dels espins veïns. El bescanvi clàssic de Heisenberg alinea els espins paral·lels o antiparal·lels mentre que la interacció dipolar porta a la formació de dominis magnètics i dona peu a l'existència de regions de transició, anomenades parets de domini, on els espins giren formant parets de Bloch o de Néel. Els termes antisimètrics com la interacció de Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) estabilitza estructures de major complexitat com a modulacions helicoidals i cicloidals d'espín, i estructures no coplanars més complexes com els skyrmions i anti-skyrmiones amb protecció toplológica (veure Fig.1). Les parets de domini i els més recentment descoberts estats skyrmion i anti-skyrmion desperten gran interès actualment com una potencial base per a tecnologia espintrònica més ràpida i eficient energèticament.
Recentment, múltiples fenòmens intrigants han estat descoberts en compostos tetragonals de Heusler, on la simetria D2d fixa una interacció única entre la DMI i la interacció dipolar. En el compost amb simetria D2d prototípic, el Mn1.4PtSn, això ha permès l'estabilització de textures d'espín exòtiques com els anti-skyrmions [1] o els skyrmions el·líptics de tipus Bloch [2,3]. En l'estructura cristal·lina de l'aliatge Mn1.4PtSn les capes atòmiques estan apilades de tal manera que causa que els vectors DMI girin al voltant del pla ab de manera que és paral·lel als enllaços Mn-Mn al llarg dels eixos cristal·logràfics [100] i perpendicular als enllaços al llarg de [110] (veure figura 1). D'acord amb la teoria, la conseqüència directa d'això és que les modulacions helicoidals de tipus Bloch són afavorides pels vectors de propagació Q al llarg de [100], mentre que els vectors de propagació de [100] correspondrien a cicloides de Néel [4]. El sentit de rotació de les espirals d'espín també es discerneix en l'estructura interna de l'anti-skyrmion que representa una superposició doble-k de dues hèlixs i dues cicloides girats 45º un en respecte a l'altre, com es destaca en la figura 1 [1]. A més de de la DMI, les interaccions dipolars juguen un rol important en la gran quantitat de fases induïdes pel camp magnètic en el compost de Heusler D2d, el Mn1.4PtSn, i la seva periodicitat característica. Encara que se li ha donat menys atenció a l'estat espiral de camp poc intens, aquest és extremadament interessant com el cas amb la fase més simple on investigar la complexa jerarquia de les interaccions magnètiques en aquesta família de materials.
Una col·laboració internacional entre la Universitat Tècnica de Dresden (Alemanya), l'Institut Paul Scherrer (Suïssa), Helmholtz-Zentrum Berlin (Alemanya), l'Institut Max Planck per a la Química Física dels Sòlids (Alemanya) i el Sincrotró ALBA, ha combinat tècniques avançades de nanofabricació i de dispersió ressonant de raigs-x per a realitzar l'estudi únic de la naturalesa de les espirals magnètiques en Mn1.4PtSn a temperatures d'heli líquid i camps magnètics intensos. Els resultats de l'estudi s'han publicat com a ‘Letter’ en Physical Review B.
Particularment, les mesures de dispersió elàstica ressonant d'angle petit de raigs-x (REXS), usant l'estació experimental de dispersió MaReS en la línia de llum BOREAS del Sincrotró ALBA, han revelat la possibilitat de manipular els estats espirals en el Mn1.4PtSn aplicant camps magnètics en direccions específiques en respecte a l'estructura cristal·lina. Així, amb experiments REXS en cristalls únics nanofabricats d'alta qualitat de Mn1.4PtSn a baixes temperatures (<150K), els investigadors han evidenciat com la simetria D2d subjacent del DMI en aquest material es reflecteix en la seva textura magnètica. L'estudi revela l'existència d'una nova i complexa fase metaestable, que possiblement té un caràcter mixt entre una hèlix tipus Bloch i una cicloide tipus Néel que es forma a baixa temperatura a camp nul en l'entrenament de camp “in-plane”. Aquesta estructura espiral d'espín hibrida té una ajustabilitat destacable, permetent inclinar la seva orientació més enllà de les direccions cristal·logràfiques d'alta simetria i controlar el seu període espiral. Aquests resultats amplien la riquesa del diagrama de fases magnètic exòtic dels materials de Heusler D2d i estenen la seva ajustabilitat, millorant així les possibilitats per a futures recerques fonamentals i potencials aplicacions en tecnologies d'estalvi energètic.
Figura 2: (a-d): Patrons REXS mesurats a 100K en (a) l'estat inicial del Mn1.4PtSn després d'un refredament a camp nul (“S0”) i (b) després d'un entrenament de camp ‘in-plane’ (“SI”). La direcció d'entrenament de camp ex-situ es mostra a la imatge (b). Perfils d'intensitat radial (c) i azimutal (d), en el pla del detector, dels patrons REXS presos en estats S0 i SI. φ = 90◦ correspon a Q||[100]. Les corbes de color gris fosc (grogues puntejades) mostren les dades en brut (suavitzats). Les corbes són ‘offset’ per claredat. Els talls radials es van prendre en angles azimutals que corresponen a la intensitat màxima dels pics de Bragg com a línies rectangulars amb un ample de ∆Q ≈6·10−4 Å. Els perfils azimutals corresponen a la intensitat integrada sobre un anell prim contenint els pics.
Referència: Hybrid Bloch-Néel spiral states in Mn1.4PtSn probed by resonant soft x-ray scattering A. S. Sukhanov, V. Ukleev, P. Vir, P. Gargiani, M. Valvidares, J. S. White, C. Felser, and D. S. Inosov. Physical Review B (2022)
[1] A. K. Nayak, et al., Nature 548, 561 (2017)
[2] L. Peng, et al., Nat. Nanotechnol. 15, 181 (2020)
[3] J. Jena, et al., Nat. Comm. 11, 1 (2020)
[4] A. Bogdanov and A. Hubert, J. Magn. Magn. Mater. 138, 255 (1994).
