Cerdanyola del Vallès, 10 de mayo de 2019. La interacción de intercambio, la interacción antisimétrica (también conocida como Dzyaloshinskii-Moriya) y la anisotropía magnetocristalina puede causar texturas magnéticas no-colineales, como son los estados helicoidales, cónicos y de tipo skyrmion magnéticos. El tamaño típico de un skyrmion magnético varía en un rango de unos pocos a unos cientos de nanómetros, lo que los conviertes en candidatos prometedores para futuras aplicaciones espintrónicas como las memorias racetrack de skyrmion, entre otras tecnologías posibles, presentando un bajísimo consumo energético y permitiendo una densidad de almacenamiento superior a la de los dispositivos de memoria de estado sólido actuales.
La dispersión de rayos X blandos coherentes es una herramienta muy potente para estudiar la ordenación de los espines en compuestos magnéticos multicomponentes, por su capacidad de seleccionar elementos concretos y su compatibilidad con entornos de muestra extremos como son temperaturas criogénicas y altos campos magnéticos.
En este experimento, un grupo de investigadores 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 y la Photon Factory, así como del Sincrotrón ALBA, ha estudiado un compuesto de tipo quiral basado en Co8Zn8Mn4 que presenta diferentes fases magnéticas, en particular una fase ordenada de nano-skyrmiones. Para la realización del experimento, en las instalaciones de RIKEN Center for Emerging Materials, se emplearon procedimientos de síntesis avanzada de materiales para la obtención de un cristal de Co8Zn8Mn4, realizándosele posteriormente un laminado a escala nanométrica mediante fresado de haz de iones.
Los experimentos con rayos X se realizaron en las líneas de luz BL-16A en Photon Factory y BL29 BOREAS en ALBA. En particular, las mediciones en ALBA se realizaron en la estación MaReS que permite obtener imágenes de dispersión coherente en campos magnéticos de alta aplicación a bajas temperaturas. De este modo, los investigadores pudieron obtener imágenes de la textura magnética a temperatura criogénica de hasta 20K bajo campos magnéticos aplicados de hasta 2 Tesla. Las imágenes se obtuvieron mediante las técnicas HERALDO (holography with extended reference by autocorrelation linerar differential operation) y de difracción coherente en geometría de transmisión, ambas explotando la gran coherencia de la luz de sincrotrón y diversas técnicas para la reconstrucción de fase (imagen).
Ambos métodos de obtención de imágenes, denomidados "sin lentes", proporcionan una resolución de 30 nanómetros y permitieron a los investigadores analizar la evolución de una textura magnética en el rango de temperatura entre 20 K y 120 K, registrando un alargamiento de los skyrmiones a lo largo de los principales ejes cristalográficos a bajas temperaturas. Las simulaciones micromagnéticas mostraron que dicha deformación se debe a una relación decreciente entre la interacción de intercambio simétrico y la interacción antisimétrica Dzyaloshinskii-Moriya en el sistema y el efecto de la anisotropía cúbica. Esto imita la frustración antiferromagnética a baja temperatura de la sub-red de Mn en Co8Zn8Mn8. A temperaturas más bajas, las correlaciones antiferromagnéticas de los átomos de Mn se superponen a la modulación helicoidal (skyrmion) de largo alcance, lo que provoca un acortamiento del paso helicoidal y la deformación de los skyrmiones. Se encontró también que este efecto es reversible, al observar que la red hexagonal de skyrmion del estado de skyrmion alargado se puede restaurar aumentando el campo magnético aplicado.
Fig.: Esquema de los experimentos de (a) dicroísmo magnético circular con rayos X(XMCD), (b) dispersión coherente resonante de rayos X blandos (RSXS) y (c) ) holografía de rayos X de tipo HERALDO (d) Microscopía electrónica (SEM) de la apertura de la muestra RSXS. (e) Placa ultra-fina de Co8Zn8Mn8 fijada a la membrana. (f) Imagen de microscopía electrónica de la apertura y la referencia.
Fig.: Panel superior (de izquierda a derecha): imagen de microscopía de la muestra adelgazada por fresado de haz de iones. Diagrama de flujo del algoritmo de recuperación de fase para la reconstrucción de imagen a partir de los patrones de rayos X coherentes. Un patrón de RSXS coherente medido en Co8Zn8Mn4 a una temperatura de 25 K y campo magnético B = 70 mT en la estación MaReS (ALBA). Panel inferior (de izquierda a derecha): reconstrucción en espacio real del patrón de magnetización obtenido por la rutina de recuperación de fase y su aumento. Simulación micromagnética de la estructura de skyrmion alargada bajo la influencia de una interacción de intercambio efectiva disminuida y anisotropía cúbica.
Fig.: Patrones de difracción de rayos X blandos coherentes medidos para la muestra de Co8Zn8Mn4 en el borde de absorción L3 de Co a diferentes temperaturas 150 K, 120 K, 25 K (panel superior, de izquierda a derecha) y un campo aplicado de 70 mT. La barra de escala blanca corresponde a 0.05 nm − 1. El panel inferior muestra simulaciones micromagnéticas de las correspondientes texturas de los espines de skyrmiones.
Agradecimientos
Este trabajo ha sido apoyado en parte por el Número de subvención PRESTO JPMJPR177A de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (JST), el proyecto "Iniciativa de Investigación de Materiales por Integración de Información" (MI2) del Programa de Apoyo para el Inicio del Centro de Innovación de JST, la Sociedad de Japón para la Promoción de la Ciencia a través del Programa de Financiación de la I + D Innovadora en Ciencia y Tecnología Líderes en el Mundo (Programa FIRST), y el Número de Subvención JSPS KAKENHI 16H05990. V. U. agradece la financiación de SNF Sinergia CRSII5-171003 NanoSkyrmionics. M. V. agradece fondos adicionales a través de las subvenciones MICINN ICTS-2009-02, FIS2013-45469-C4-3-R y FIS2016-78591-C3-2-R (AEI / FEDER, UE).
