اگرچه اسکایر‌میون‌ها (Skyrmions) اغلب ذره‌مانند توصیف می‌شوند یک نظریه [1] با قدمت دو دهه٬ پیش‌بینی‌های دقیقی از اندازه و شکل اسکایر‌میون‌ها بدست داده است. این ویژگی‌ها پاسخ این ذرات را به یک جریان اسپینی و یک میدان مغناطیسی خارجی تعیین می‌کنند اما آزمون آن‌ها بسیار دشوار است چون اندازه‌ی اسکایر‌میون‌ها تنها در حدود پهنای چند ده اتم است. اکنون نیکلاس رومینگ (Niklas Romming) و همکارانش از دانشگاه هامبورگ آلمان ساختار داخلی اسکایر‌میون‌های مغناطیسی را در لایه‌ی نازکی از یک فلز با بهره‌گیری از فناوری میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی حساس به مغناطیس [2] تصویربرداری کرده‌اند. وضوح بالای این تکنیک به پژوهش‌گران این امکان را داده تا هم اندازه و هم شکل اسکایر‌میون‌ها را که با نظریه توافق دارد به اثبات برسانند.

یک اسکایر‌میون مغناطیسی کوچک‌ترین اختلال ممکن برای یک آهنربای یکنواخت به حساب می‌آید: ناحیه‌ای نقطه‌مانند با مغناطش معکوس که با یک جفت اسپین چرخان احاطه شده است. چنان اسکایر‌میون‌هایی شبه ذرات هستند. یعنی در غیاب یک حالت مغناطیسی وجود ندارند. این شبه‌ذرات به الکترودینامیک نوظهوری منجر می‌شود که بسادگی با معادلات ماکسول قابل توصیف نیستند. این ذرات کاندیداهای جذابی برای انتقال اطلاعات هستند چون تنها چند نانومتر اندازه داشته٬ بسیار پایدارند و براحتی با جریان‌های با قطبش اسپینی که توان کمی مصرف می‌کنند٬ می‌توان آن‌ها را دست‌کاری کرد.

مفهوم ریاضی اسکایر‌میون‌ در طول پنجاه سال گذشته توسط فیزیک‌دان انرژی-‌بالا٬ تونی اسکایرم (Tony Skyrme ) [3] ابداع شد. در نظریه میدانِ کوانتومی٬ ذرات تحریکات شبه‌موج با یک طول عمر محدود به حساب می‌آیند. اسکایرم پیشنهاد داد که پایداری هادرون‌ها (پروتون‌ها٬ نوترون‌ها و مزون‌ها) قابل توضیح‌اند٬ اگر آن‌ها را به عنوان نقص‌های توپولوژیکی در میدان برداری کوانتومی توصیف کنیم. این نقص‌ها «حفاظت‌شده» درنظر گرفته می‌شوند چون با یک عدد صحیح توپولوژیکی توصیف می‌شوند که با تغییرشکل پیوسته‌ی میدان٬ تغییر نمی‌کند. هرچند ایده‌ای که توسط اسکایرم برای هادرون‌ها مطرح شد نهایتاً بخشی از نظریه‌ی اصلی فیزیک ذرات واقع نشد اما مثال‌های متعددی از توپولوژي‌های اسکایر‌میونی در سیستم‌های ماده چگال [4] وجود دارند. به عنوان مثال این مفهوم٬ سیستم‌های هال کوانتومی٬ فازهای معینی از بلور مایع و چگالیده‌های بوز-انیشتین را توصیف می‌کند.

اسکایر‌میون‌ها تنها در داخل آهنرباهایی تشکیل می‌شوند که در آن‌ها از اندرکنش‌های اسپینی یک ساختار مغناطیسی با تقارن تکدستی (همچون یک پیچ‌وتاب راست‌گرد و یا چپ‌گرد) پشتیبانی می‌شود. نظریه‌پردازان دو دهه پیش، پیش‌بینی کردند که چنان پیچ‌وتاب‌هایی وقتی رخ می‌دهند که اسپین‌ها بین همراستا شدن با همسایگانشان و عمودشدن بر آن‌ها رقابتی را احساس می‌کنند[1]. با این تصور قوی‌ترین اندرکنشی که مابین اسپین‌ها وجود دارد٬ تبادل هایزنبرگ است. انرژی این اندرکنش که همراستاشدن با اسپین‌های همسایه را ترجیح داده و نظم و ترتیب در آهنرباهای بسیاری را به عهده می‌گیرد با انتگرال تبادلی هایزنبرگ مشخص می‌شود. یک اندرکنش ضعیف‌تر که تمایل به عمود کردن با اسپین‌های همسایه را دارد می‌تواند در آهنرباهای هایزنبرگ مشخصی رخ دهد که در آن‌ها الکترون‌ها جفت‌شدگی اسپین-مدار را تجربه می‌کنند. انرژی این اندرکنش موسوم به Dzyaloshinkii-Moriya (DM) با تبادل D متناسب است و باعث می‌شود اسپین‌ها در یک آهنرباهای هایزنبرگی ناگهان بچرخند و به طریقی طبیعی منجر به ساختار تکدستی می‌شوند.

اندرکنش DM تنها در ماده‌ای رخ می‌دهد که ساختار اتمی آن از تقارن معکوس برخوردار نیست؛ مثل شرایطی که در شبکه‌ی بلوری B20 وجود دارد. این شبکه یک ساختار سنگ‌نمک تغییرشکل یافته است. به عنوان مثال اسکایر‌میون‌ها در شکل B20 از بلورهای MnSi [5] و Fe_0.5Co_0.5Si مشاهده شده‌اند[6]. راه دیگر برای ایجاد ساختاری که تقارن معکوس ندارد قراردادن یک ماده‌ی بین‌سطحی مابین دو ماده‌ی مختلف است. تشکیل چنان بین‌سطحی مابین یک ماده فرومغناطیس و یک فلز با اسپین-مدار قوی لزوماً به اندرکنش DM می‌انجامد. حتی در موردی که هردوی فلزات شبکه‌هایی با تقارن معکوس داشته باشند [7]. اگر ماده‌ی فرومغناطیس به اندازه‌ی کافی نازک باشد٬ این اثرات بین‌سطحی غالب خواهند بود.

سال ۲۰۱۳ گروهی از دانشگاه هامبورگ کشف کردند که دولایه‌ای از پالادیوم-آهن (PdFe) که بر روی صفحه‌ی (۱۱۱) سطح ایریدیوم رشد یافته بود قادر است از اسکایر‌میون‌های انفرادی پشتیبانی کند [8]. می‌توان اسکایر‌میون‌ها را با استفاده از میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی با اسپین قطبیده (STM)٬ ایجاد٬ تصویربرداری و نابود ساخت. شبیه همه‌ی تکنیک‌های STM این روش٬ جریان مکانیک کوانتومی را می‌سنجد که از سطح ماده‌ی موردنظر به نوک این میکروسکوپ تونل زنی می‌کنند. در این مورد جریان به زاویه‌ی میان یک اسپین واقع بر روی نوک میکروسکوپ و اسپین واقع بر روی سطح ماده بستگی دارد. بنابراین این فناوری قادر است از جهت‌گیریِ اسپین‌ها در هر نقطه روی سطح نقشه‌برداری کند. به شکل مشابه جریان حاصل از نوک میکروسکوپ به لحاظ اسپینی قطبیده بوده و می‌توان بواسطه‌ی آن گشتاوری را بر روی اسپین‌های آهنربا اعمال کرد و از این طریق می‌توان یک اسکایر‌میون را تولید کرد و یا از بین برد.

رومینگ و همکارانش در پژوهش جدیدشان از تکنیک مشابهی برای تصویربرداری از ساختار داخلی یک اسکایر‌میون در دولایه‌ای از PdFe بهره برده‌ و پاسخ آن را به یک میدان مغناطیسی اعمالی سنجیده‌اند. می‌توان اسکایر‌میون را به عنوان ناحیه‌ای کوچک و حبابِ دوبعدی‌مانندی تصور کرد که مغناطش آن در خلاف جهت ماده‌‌ای است که آن را احاطه کرده است. هسته‌ی آن را به واقع می‌توان یک شبه‌نقطه در نظر گرفت. اسکایر‌میون اما بایستی اندازه‌ی محدودی داشته باشد چون فاصله‌ی کوتاهی (در این مورد حدود دو نانومتر) را طی می‌کند تا در خلاف جهت ماده‌ی زمینه مغناطیده شود. اعمال یک میدان مغناطیسی در خلاف جهت مغناطش هسته‌ی اسکایر‌میون این حباب را فشرده ساخته (شکل ۱) و شکل آن را تغییر می‌دهد. گروه رومینگ با استفاده از STM شکل اسکایر‌میون‌ را به ازای میدان‌های مغناطیسی رسم کرده‌ و نشان داده‌اند که این حباب تقریباً تا نصف اندازه‌ی تعادلی خود متراکم می‌شود. این نتایج با نظریه‌ی موجود [1] سازگار بوده و آن را تایید می‌کند. این سازگاری با نظریه به پژوهش‌گران این امکان را می‌دهد تا مقادیر J و D را در ماده‌ی خودشان بسنجند. این مقادیر (که با روش‌های دیگر اندازه‌گیری آن‌ها دشوار است) اندازه‌ی اسکایر‌میون را تعیین می‌کند. پژوهش‌گران در هر نوع فناوری که از اسکایر‌میون‌ها استفاده می‌کنند به این کمیات نیازمندند.

فیزیک اسکایر‌میون‌ها به دلیل ویژگی‌های توپولوژیکیِ ویژه‌شان [4] جذاب است. از چشم‌انداز تکنیکی٬ قطعاتی که بر پایه‌ی اسکایر‌میون‌ها ساخته می‌شوند این پتانسیل را دارند تا در ذخیره و پردازش اطلاعات در اندازه‌های بی‌نهایت کوچک و با مصرف انرژی پایین استفاده شوند. برای مثال حضور/غیاب اسکایر‌میون را می‌توان به عنوان ۱ و ۰ در بیت‌های داده‌ای دانست که در حافظه‌های ریس‌ترک (racetrack ) وجود دارد [9]. کاری که رومینگ و همکارانش انجام داده‌اند نشان می‌دهد که نظریات موجود پایه‌ی دقیقی برای طراحی میکروآهنرباهای چنان قطعاتی را فراهم می‌کند. این به خودی خود چیز قابل توجهی است چون این نظریات مدل‌های پیوستاری هستند که حتی در مقیاس‌های اتمی نیز معتبر باقی می‌مانند. بعلاوه نتایج نشان می‌دهد که اسکایر‌میون‌ها مستحکم هستند: آن‌ها قادرند تا یک میدان معکوس به بزرگی ۳ تسلا را تحمل کنند. تاکنون اسکایر‌میون‌های مغناطیسی تنها در دماهای پائین دیده شده‌اند (رومینگ و همکارانش آزمایش خود را در ۴/۲ کلوین انجام داده‌اند). اما همین اواخر محققان اسکایر‌میون‌ها را در یک آهنربای دمای اتاق نیز مشاهده کرده‌اند؛ چیزی که نوید واقعی‌بینانه‌تری از فناوری‌های آینده را به ارمغان می‌آورد[10].

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

مرجع‌ها:

1. A. Bogdanov and A. Hubert, “Thermodynamically Stable Magnetic Vortex States in Magnetic Crystals,” J. Magn. Magn. Mater. 138, 255 (1994); “The Properties of Isolated Magnetic Vortices,” Phys. Status Solidi (b)186, 527 (1994)

2. Niklas Romming, André Kubetzka, Christian Hanneken, Kirsten von Bergmann, and Roland Wiesendanger, “Field-Dependent Size and Shape of Single Magnetic Skyrmions,” Phys. Rev. Lett. 114, 177203 (2015)

3. T. H. R. Skyrme, “A Unified Field Theory of Mesons and Baryons,” Nucl. Phys. 31, 556 (1962)

4. N. Nagaosa and Y. Tokura, “Topological Properties and Dynamics of Magnetic Skyrmions,” Nature Nanotech.8, 899 (2013)

5. S. Mühlbauer, B. Binz, F. Jonietz, C. Peiderer, A. Rosch, A. Neubauer, R. Georgii, and P. Böni, “Skyrmion Lattice in a Chiral Magnet,” Science 323, 915 (2009)

6. X. Z. Yu, Y. Onose, N. Kanazawa, J. H. Park, J. H. Han, Y. Matsui, N. Nagaosa, and Y. Tokura, “Real-Space Observation of a Two-Dimensional Skyrmion Crystal,” Nature 465, 901 (2010)

7. A. Fert, “Magnetic and Transport Properties of Metallic Multilayers,” in Materials Science Forum, Vol. 59, edited by A. Chamberod and J. Hillairet (Trans Tech, Zurich, 1989)[Amazon][WorldCat]

8. N. Romming, C. Hanneken, M. Menzel, J. E. Bickel, B. Wolter, K. von Bergmann, A. Kubetzka, and R. Wiesendanger, “Writing and Deleting Single Magnetic Skyrmions,” Science 341, 636 (2013)

9. N. S. Kiselev, A. N. Bogdanov, R. Schäfer, and U. K. Rößer, “Chiral Skyrmions in Thin Magnetic Films: New Objects for Magnetic Storage Technologies?,” J. Phys. D 44, 392001 (2011); A. Fert, V. Cros, and J. Sampaio, “Skyrmions on the track,” Nature Nanotech. 8, 152 (2013)

10. C. Moreau-Luchaire et al., “Skyrmions at Room Temperature: From Magnetic Thin Films to Magnetic Multilayers,” arXiv:1502.07853 (2015); S. Woo et al., “Observation of Room Temperature Magnetic Skyrmions and Their Current-Driven Dynamics in Ultrathin Co Films,”arXiv:1502.07376 (2015)

    درباره‌ی نویسنده:

    کریستوفر ماروز (Christopher Marrows) استاد فیزیک ماده چگال در دانشگاه لیدز است. وی مدرک پی‌اچ‌دی خود را بسال ۱۹۹۷ از دانشگاه لیدز اخذ کرد. وی محقق موسسه‌ی فیزیک و عضو ارشد IEEE است. علایق پژوهشی وی شامل جنبه‌های مختلفی از نانومغناطیس و اسپینترونیک با موضوع کلی ویژگی‌های نوظهور سیستم‌های ماده‌چگال شامل شبه‌ذرات نوظهوری همچون تک‌قطبی‌های مغناطیسی و اسکایرمیون‌هاست.

    منبع:

An Inside View of Magnetic Skyrmions