科学|科学家发现了一种稳定斯格明子的新机制
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 。
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