科学|科学家发现了一种稳定斯格明子的新机制科学

可能在材料中发生的微小磁涡旋——所谓的斯格明子（skyrmions）——对于新颖的电子设备或磁存储器（将它们用作位来存储信息）具有很高的希望。任何应用的基本前提是这些磁涡流的稳定性。基尔大学理论物理与天体物理研究所的一个研究小组现已证明，到目前为止，被忽略的磁性相互作用对于斯格明子（skyrmions）的稳定性起着关键作用，并且可以大大延长斯格明子（skyrmions）的寿命。他们的研究成果今天在《自然通讯》上发表，也为稳定新材料系统中的斯格明子（skyrmions）开辟了前景，而以前所认为的机制是不够的。

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图1：通过高阶交换相互作用稳定斯格明子（skyrmions）。红色曲线显示了一个磁斯格明子（skyrmions）（左上方）塌陷到铁磁背景（右下方）中的能垒。在定义障碍物高度的曲线的最高点处，找到过渡状态（右上方）。视锥细胞显示六角形晶格上单个原子的“原子棒状磁体” 。银色箭头表示向上的圆锥形，红色箭头表示向下的圆锥形。左下图：沉积在具有（111）晶体取向的铑（Rh）表面上的铁（Fe）原子层上的钯（Pd）原子层的示意图结构。关于室温稳定性的深入研究

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它们独特的磁性结构——更确切地说是其拓扑结构——使斯格明子（skyrmions）具有稳定性，并防止其崩溃。因此，在磁化过程中，斯格明子（skyrmions）被表示为结。但是，在固体的原子晶格上，这种保护是不完善的，并且只有有限的能垒（图1）。基尔大学的斯蒂芬·海因兹（Stefan Heinze）教授解释说：“这种情况可与躺在槽中的大理石相媲美，因此需要一定的动力才能从中逸出。能垒越大，斯格明子（skyrmions）稳定的温度就越高。”

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迄今为止，尤其是未来的自旋电子设备所需要的直径低于10纳米的斯格明子（skyrmions），迄今为止仅在非常低的温度下被检测到。由于应用通常在室温下进行，因此提高能垒是当今有关斯格明子（skyrmions）研究的关键目标。

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以前，已经建立了有助于势垒的相关磁相互作用的标准模型。斯蒂芬·海因兹（Stefan Heinze）教授研究小组的一组理论物理学家现在证明，迄今为止，一种磁相互作用已被忽略。在1920年代，沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）可以通过量子机械交换相互作用来解释铁磁性的发生，该相互作用是由两个原子之间电子的自旋相关的“跳跃”引起的。该研究的第一作者索维克·保罗博士说：“如果考虑到更多原子之间的电子跳跃，则会发生更高阶的交换相互作用。” 但是，这些相互作用比海森堡提出的成对交换要弱得多，因此在对斯格明子（skyrmions）的研究中被忽略了。弱的高阶交换相互作用稳定了斯格明子（skyrmions）

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图2：在六边形原子晶格上的高阶交换相互作用的图示。彩色箭头表示两个位置（绿色），三个位置（蓝色）和四个位置（红色）之间的电子跳跃。球体表示原子位点，箭头表示“原子棒状磁体”的方向。分页标题
基于在北德超级计算机联盟（HLRN）的超级计算机上执行的原子模拟和量子力学计算，基尔的科学家现在解释说，这些弱相互作用仍然可以为斯格明子（skyrmions）稳定性提供令人惊讶的巨大贡献。尤其是在四个原子位点上的循环跳变（请参见图2中的红色箭头）会极大地影响过渡态的能量（请参见图1右上方的最高点），其中只有几个原子棒磁体相对于每个原子棒倾斜其他。在模拟中甚至发现了稳定的抗臭剂，这对于将来的某些数据存储概念很有用，但通常衰减太快。

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【科学|科学家发现了一种稳定斯格明子的新机制】高阶交换相互作用出现在许多用于潜在天体离子应用的磁性材料中，例如钴或铁。它们还可以稳定先前无法考虑的磁相互作用或磁相互作用太小的磁性结构中的斯格明子（skyrmions）。因此，本研究为这些引人入胜的磁结研究开辟了新的有希望的途径。