科学家们发现新的物理现象:由斯格明子构成的复杂编织结构

一个来自德国、瑞典和中国的科学家团队发现了一个新的物理现象:由微小的斯格明子(skyrmion)组成的复杂编织结构。斯格明子通过实验被发现,此后成为众多研究的主题,并为信息处理的创新概念提供了可能的基础,这些概念具有更好的性能和更低的能耗。此外,斯格明子影响材料的磁阻和热力学特性。因此,这一发现对应用和基础研究都有意义。

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日常生活中随处可见线和编织结构,从鞋带到羊毛衫,从孩子的发辫到用于支撑无数桥梁的编织钢索。这些结构在自然界中也很常见,例如,可以赋予植物纤维抗拉或抗折强度。尤里希研究中心的物理学家与来自斯德哥尔摩和中国的研究人员一起发现,这种结构在铁和金属性锗的合金中以纳米尺度存在。

这些纳米环都是由几个斯格明子组成的,这些斯格明子或多或少地缠绕在一起,就像绳子的股线一样。每个斯格明子本身由指向不同方向的磁矩组成,并共同呈现出一个拉长的小漩涡的形式。一个单独的斯格明子股的直径小于1微米。磁性结构的长度只受限于样品的厚度;它们从样品的一个表面延伸到另一个表面。

其他科学家早先的研究表明,这种丝状物基本上是线性的,几乎是棒状的。然而,在尤里希的恩斯特-鲁斯卡中心进行的超高分辨率显微镜调查和尤里希的彼得-格林伯格研究所的理论研究揭示了更多不同的情况:这些丝线实际上可以不同程度地扭曲在一起。根据研究人员的说法,这些复杂的形状稳定了磁性结构,使它们在一系列应用中特别有趣。

“数学包含了这些结构的大量种类。现在我们知道,这种理论知识可以转化为真实的物理现象,”尤里希物理学家 Nikolai Kiselev 报告称。“磁性固体内部的这些类型的结构表明了独特的电和磁特性。然而,还需要进一步的研究来验证这一点。”

为了解释这些研究和以前的研究之间的差异,研究人员指出,使用超高分辨率电子显微镜的分析并不只是提供样品的图像,例如,在光学显微镜的情况下。这是因为当高能电子与样品中的电子相互作用时,量子力学现象开始发挥作用。

“非常可行的是,其他研究人员也在显微镜下看到了这些结构,但却无法解释它们。这是因为不可能从获得的数据中直接确定样品中的磁化方向分布。相反,有必要建立一个样品的理论模型,并从中生成一种电子显微镜图像,”Kiselev解释说。“如果理论和实验图像相匹配,就可以得出结论,模型能够代表现实。”

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