Jülich 的研究人员已经检测到由斯格明子构成的弦状结构。 上图是不同磁场强度下六个斯格明子的模拟模型； 下面是在薄膜中观察到的这种结构的透射电子显微镜图像。 信用：Forschungszentrum Jülich
来自德国、瑞典和中国的一组科学家发现了一种新的物理现象：由称为斯格明子的微小磁涡旋构成的复杂编织结构。 Skyrmions 是在十多年前首次通过实验检测到的，此后一直是众多研究的主题，并为提供更好性能和更低能耗的信息处理创新概念提供了可能的基础。 此外，skyrmions 影响材料的磁阻和热力学特性。 因此，这一发现对应用研究和基础研究都具有相关性。
绳子、线和编织结构在日常生活中随处可见，从鞋带到羊毛套头衫，从儿童头发上的辫子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拉伸或弯曲强度。 Forschungszentrum Jülich 的物理学家与来自斯德哥尔摩和合肥的同事一起发现，这种结构存在于铁和准金属锗合金中的纳米级。
这些纳米线每个都由几个或多或少扭曲在一起的skyrmions组成，就像一根绳子一样。 每个斯格明子本身都由指向不同方向的磁矩组成，并共同形成一个细长的微小涡旋。 单个斯格明子链的直径小于一微米。 磁性结构的长度仅受样品厚度的限制； 它们从样品的一个表面延伸到另一表面。
其他科学家早期的研究表明，这种细丝基本上是线性的，几乎是棒状的。 然而，于利希的 Ernst Ruska 中心进行的超高分辨率显微镜研究和于利希的彼得格伦伯格研究所的理论研究揭示了一幅更加多样化的画面：这些线实际上可以不同程度地扭曲在一起。 据研究人员称，这些复杂的形状稳定了磁性结构，使其在一系列应用中特别有趣。
“数学包含各种各样的这些结构。 现在我们知道，这种理论知识可以转化为真实的物理现象，”Jülich 物理学家 Nikolai Kiselev 博士很高兴地报告。 “磁性固体内部的这些类型的结构表明了独特的电学和磁学特性。 然而，还需要进一步的研究来验证这一点。”
为了解释这些研究与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进行分析并不仅仅提供样品的图像，例如光学显微镜。 这是因为当高能电子与样品中的电子相互作用时，量子力学现象就会发挥作用。
“其他研究人员在显微镜下也看到了这些结构，但无法解释它们，这是完全可行的。 这是因为不可能从获得的数据中直接确定样品中磁化方向的分布。 相反，有必要创建样品的理论模型并从中生成一种电子显微镜图像，”Kiselev 解释道。 “如果理论和实验图像匹配，可以得出结论，该模型能够代表现实。” 在此类超高分辨率分析中，Forschungszentrum Jülich 及其 Ernst Ruska 中心被视为全球领先的机构之一。
参考文献：Fulipp N. Rybakov、Nikolai S. Kiselev、Dongsheng Song、András Kovács、Haifeng Du、Stefan Blügel 和 Rafal E. Dunin-Borkowski 的“Magnetic skyrmion braids”，7 年 2021 月 XNUMX 日， 自然通讯.
DOI: 10.1038/s41467-021-25389-7
