Projekti / Programi
Raziskave frustriranih skirmionov z jedrsko magnetno resonanco
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.01 |
Naravoslovje |
Fizika |
Fizika kondenzirane materije |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P260 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kondenzirane snovi: elektronska struktura, električne, magnetne in optične lstnosti, supraprevodniki, magnetna rezonanca, relaksacija, spektroskopija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
fizika, magnetizem, skirmion, topologija, frustracija, jedrska magnetna resonanca (NMR), jedrska kvadrupolna resonanca (NQR), beta-NMR
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
36353 |
dr. Matjaž Gomilšek |
Fizika |
Vodja |
2019 - 2021 |
90 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.742 |
Povzetek
Magnetni skirmioni so obetavna rešitev za problem hrambe podatkov pri visokih gostotah in pri nizki porabi energije, zato so v zadnjih letih predmet intenzivnih raziskav. Ti topološko zaščiteni vrtinci magnetizacije so bili do sedaj poznani izključno v nekaterih kiralnih magnetih z zlomljeno simetrijo pod inverzijo prostora in so za svoj obstoj potrebovali natančno določene zunanje pogoje. To je oviralo njihovo praktično uporabo in upočasnilo napredek pri njihovem razumevanju, saj mnogih zmogljivih metod ni bilo moč uporabiti pri zahtevanih nizkih magnetnih poljih.
Vse to se je spremenilo z nedavnim dvojnim odkritjem povsem nove vrste magnetnih skirmionov – frustriranih skirmionov – v ne-kiralnih magnetih Gd2PdSi3 in Gd3Ru4Al12, simetričnih pod inverzijo prostora. Frustrirani skirmioni so v teh spojinah termodinamsko stabilni preko širokega razpona temperatur in magnetnih polj in so tudi precej manjši, kar obeta bistveno povečanje največje gostote pri hrambi podatkov. Te lastnosti izhajajo iz novega mehanizma stabilizacije skirmionov, ki nadomesti kiralne interakcije Dzyaloshinskii-Moriya v običajnih skirmionskih materialih s tekmovanjem (frustracijo) ne-kiralnih mikroskopskih interakcij.
Zaradi novega mehanizma stabilizacije in superiornih lastnosti je nujno, da razumemo takó naravo in dinamiko novo-odkritih frustriranih skirmionov ter tudi njihov odziv na dopiranje in kemijsko substitucijo. Eno temeljnih odprtih vprašanje je tudi dejanska vrsta tekmujočih frustriranih interakcij (geometrijska frustracija kratkega dosega ali RKKY/bikvadratne interakcije dolgega dosega). Najti odgovore na ta vprašanja ni pomembno le s stališča osnovne fizike, ampak tudi za dizajniranje optimiziranih materialov s skirmioni za praktično uporabo.
Ker so novo-odkriti frustrirani skirmioni stabilni do reda velikosti višjih magnetnih polj kot navadni, kiralni skirmioni, in ker imata obe spojini ugodna jedra s spinom (spin 1/2 29Si in spin 5/2 27Al), predlagam uporabo zmogljive tehnike jedrske magnetne resonance (NMR) v iskanju odgovorov na gornja vprašanja. To bi predstavljajo prvo uporabo te tehnike za proučevanje skirmionov (saj zahteva močna zunanja polja izven območja stabilnosti kiralnih skirmionov, ampak znotraj območja stabilnosti frustriranih skirmionov) in bi tako ponudilo povsem nov pogled na skirmione preko opazovanja njihovih porazdelitev notranjih magnetnih polj in tudi njihove spontane dinamike.
Predlagani projekt bi sestavljala sinteza monokristalov Gd2PdSi3 in Gd3Ru4Al12, njihova preliminarna karakterizacija z uporabo sipanja rentgenskih žarkov in meritev magnetne susceptibilnosti, čemur bi sledilo zajemanje spektrov NMR, ki bi razkrili porazdelitve notranjih polj, ter meritve spinske relaksacije NMR, ki bi dale informacije o dinamiki skirmionov v teh materialih. Po potrebi bi opravili tudi relevantne komplementarne meritve specifične toplote, magnetnega navora, mionske spinske relaksacije/resonance (µSR) in druge.
Nadaljnje zanimivo vprašanje je odziv frustriranih skirmionov na dopiranje in možnost obstoja skirmionov tudi v drugih (povsem substituiranih) spojinah v nizih R2PdSi3 in R3Ru4Al12 (R: redka zemlja). Projekt bi vključeval tudi te s predlagano sintezo in meritvami NMR na dopiranih in substituiranih predstavnikih iz obeh nizov spojin.
Pridobljena spoznanja bi prenesli tudi na druge, običajne materiale s skirmioni s prvo uporabo tehnike jedrske kvadrupolne resonance (NQR) – in potencialno βNMR – na skirmionih, to je z bolj zahtevnima različicama NMR, ki delujeta tudi pri veliko nižjih zunanjih poljih.
Predlagani projekt bi omogočil znaten napredek v razumevanju magnetnih skirmionov. Razen tega bi vzpostavil sodelovanje med Institutom »Jožef Stefan« in £7 milijonskim EPSRC Skirmionskim projektom (Skyrmion Project) v Veliki Britanij, saj bi bila večina sinteze vzorcev in preliminarne karakterizacije opravljena v Veliki Britaniji, meritve NMR pa bi bile izvedene na Institutu »Jožef Stefan«.
Pomen za razvoj znanosti
Izčrpno razumevanje notranjih polj in dinamike novoodkritih frustriranih skirmionov preko uporabe NMR bi bilo izredno pomembno za skirmionsko skupnost in bi pomagalo pri iskanju novih, boljših skirmionskih materialov. Proučevanje njihovega odziva na dopiranje in/ali kemijsko substitucijo bi predstavljajo korak proti razvoju optimiziranih materialov s fino uglašenimi parametri delovanja, kar bi bilo potrebno za potencialno komercialno uporabo v prihodnosti. Pionirska uporaba NMR ter sorodnih tehnik NQR in ßNMR na skirmionskih materialih bi predstavila zmogljiv nov način za direktne meritve notranjih magnetnih polj ter dinamike skirmionov. Skupno bi predlagani projekt predstavljal znaten korak naprej v razumevanju teh fascinantnih in uporabnih stanj snovi. Pridobljena spoznanja bodo relevantna tudi za druge magnetne teksture z izvirajočo dinamiko.
Pomen za razvoj Slovenije
A comprehensive understanding of the internal fields and dynamic of the newly-discovered frustrated skyrmions by using NMR would be of utmost importance to the skyrmion community and should aid in the search for new, better skyrmion materials. The study of their response to doping and/or chemical substitution would represent a step towards engineering optimized materials with finely-tuned operating parameters, as would be needed for potential commercial applications in the future. The pioneering use of NMR, and the related techniques of NQR and ßNMR, on skyrmion-hosting materials would introduce a powerful new way of directly measuring the internal magnetic fields and dynamics of skyrmions. All in all, the proposed project should represent a significant step forward in our understanding of these fascinating and useful states of matter. The insights gained should also be applicable to other magnetic textures with emergent Dynamics.
