Слева: пара скирмион-антискирмион, предсказанная с использованием микромагнитного моделирования, и соответствующее смоделированное изображение ПЭМ Лоренца в режиме сверхфокуса. Изоповерхности соответствуют положениям векторов намагниченности, лежащих в плоскости пленки. Цвет указывает направление векторов намагниченности в плоскости. Справа: экспериментальное изображение пары скирмион-антискирмион, полученное с помощью ПЭМ Лоренца, полученное в тех же условиях, что и смоделированное изображение. Светлые и темные пятна соответствуют скирмиону и антискирмиону соответственно. Кредит: Чжэн и др.

Соответствующие частицы и античастицы — это небольшие единицы материи, которые имеют одинаковую массу, но противоположные электрические заряды. Как правило, эти единицы материи с противоположным электрическим зарядом стремятся аннигилировать друг друга.

Исследования предсказывают, что такое же поведение должно наблюдаться и у магнитных солитонов с противоположными топологическими зарядами. Магнитные солитоны, или уединенные волны, представляют собой локализованные спиновые текстуры, сохраняющие свою форму при распространении с постоянной скоростью, и их можно отличить по топологическому заряду Q.

Согласно теоретическим предсказаниям, магнитные солитоны с противоположными значениями Q должны непрерывно сливаться и аннигилировать. Сюда входят скирмионы и антискирмионы, закрученные топологические магнитные текстуры, которые реализуются как эмерджентные частицы в магнитах.

Исследователи из Forschungszentrum Jülich и JARA в Германии недавно провели один из первых экспериментов, направленных на проверку этих предсказаний. Их статья, опубликованная в журнале Nature Physics, демонстрирует рождение и аннигиляцию пар скирмион - антискирмион в кубическом хиральном магните.

«Последние несколько лет мы интенсивно изучали магнитные солитоны в хиральных магнетиках с целью выявления их частицеподобных свойств», — рассказал Phys.org один из исследователей, проводивших исследование, Николай Киселев. «Наиболее известным типом солитона в этих материалах является магнитный хиральный скирмион. Мы накопили большой опыт в изучении конкретного сплава FeGe, который является представительным примером богатого семейства хиральных магнитов с магнитным полем типа B20. Кристальная структура."

Первоначально Киселев и его коллеги намеревались наблюдать скирмионные мешки — экзотические магнитные солитоны с произвольным топологическим зарядом, которые были предсказаны в предшествующих теоретических работах. Для этого эксперимента исследователи изготовили ультратонкую пленку кубического хирального магнита FeGe.

Однако в ходе своих экспериментов исследователи обнаружили другие интересные явления, которые в конечном итоге оказались связанными с античастицами скирмионов. В своем новом исследовании они использовали метод, известный как просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), который является наиболее признанным методом наблюдения и визуализации магнитных текстур на месте в образцах толщиной до нескольких сотен нанометров.

«Падающий электронный пучок, проходящий через образец, взаимодействует с магнитным полем, возникающим в результате локальных изменений намагниченности в образце, что позволяет регистрировать магнитный контраст с нанометровым пространственным разрешением», — пояснил Киселев. «Четкий магнитный контраст скирмионов и антискирмионов позволил нам различить эти частицы, а также процесс их рождения и уничтожения».

Как объясняют исследователи, одним из ключевых компонентов успешного наблюдения антискирмионов было использование исключительно тонкой и высококачественной пластины FeGe (т. е. квадратной пластины размером 1 мкм x 1 мкм и толщиной всего 70 нм). Этот образец был приготовлен с использованием метода, известного как измельчение сфокусированным ионным пучком.

Форма образца важна и способствует образованию «замкнутых» доменных стенок на краях образца. Последнее является предпосылкой зарождения антискирмионов при приложении к образцу внешнего магнитного поля.

«До нашей работы обычно предполагалось, что скирмионы и антискирмионы не могут сосуществовать в кубических хиральных магнитах», — сказал Киселев. «Однако наша теоретическая и экспериментальная работа доказывает, что это действительно возможно. Возможность того, что скирмионы и антискирмионы могут сосуществовать в широком диапазоне температур и приложенных магнитных полей, упускалась из виду в более ранних теоретических исследованиях, включая наши собственные».

Выводы, полученные этой группой исследователей, могут вдохновить на дальнейшие исследования магнитных солитонов с различными топологическими зарядами и симметрией, о которых раньше не было известно. В будущем такое разнообразие частицеподобных состояний может проложить путь к новым стратегиям использования магнитных солитонов в устройствах спинтроники.

Однако для изучения этих стратегий исследователям сначала потребуется провести систематические исследования физических свойств магнитных солитонов и найти или синтезировать новые материалы, в которых магнитные солитоны присутствуют в условиях окружающей среды.

«Наша работа предполагает существование большого разнообразия солитонов, которые до сих пор не наблюдались экспериментально», — добавил Киселев. «Теперь мы планируем найти надежный протокол для сбора экспериментальных наблюдений экзотических солитонов, таких как скирмионные мешки и другие трехмерные солитоны, известные как хопфионы. Предварительные исследования показывают, что наблюдение таких экзотических солитонов должно быть возможно в FeGe и других материалах этого класса».