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Creation and exploration of high-density topological skyrmion phases in 4f magnets

English title Creation and exploration of high-density topological skyrmion phases in 4f magnets
Applicant White Jonathan
Number 188707
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.11.2020 - 31.10.2024
Approved amount 457'780.00
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All Disciplines (2)

Condensed Matter Physics
Inorganic Chemistry

Keywords (6)

topology; magnetic materials; synthesis; nanomagnetism; scattering; skyrmion

Lay Summary (French)

Pour la poursuite des progrès de la technologie de l'information, les matériaux magnétiques joueront certainement un rôle clé. Depuis leur découverte en 2009, les skyrmions magnétiques - des objets robustes semblables à des particules magnétiques trouvés principalement dans quelques aimants chiraux - ont été envisagés pour une utilisation dans des applications technologiques, bien qu'aucune technologie de skyrmion disponible dans le commerce n'existe encore. Pour améliorer le potentiel technologique des skyrmions, il est urgent de rechercher de nouvelles classes de matériaux qui hébergent des skyrmions aux propriétés attractives sur le plan industriel.
Lay summary

Contenu et objectifs des travaux de recherche

Nous prévoyons de rechercher et de découvrir des skyrmions magnétiques dans une classe largement inexploitée d'aimants non chiraux, où le magnétisme est porté par des éléments avec des électrons 4f non appariés. Nous avons identifié des systèmes peu explorés qui sont susceptibles d'héberger des skyrmions à très haute densité, ce qui est un aspect prometteur de pertinence industrielle. Par synthèse chimique, nous produirons les nouveaux matériaux skyrmion en vrac et utiliserons des techniques de mesure avancées pour étudier leurs propriétés magnétiques, électriques et structurelles. Nous visons à comprendre comment les skyrmions se forment dans cette nouvelle classe de matériaux, puis comment ils peuvent être contrôlés de manière pertinente pour les applications.

Contexte scientifique et social du projet de recherche

La société moderne exige la fourniture d'une haute densité d'informations avec une efficacité énergétique. Ces demandes peuvent être satisfaites en utilisant des matériaux magnétiques hébergeant des skyrmions comme supports d'informations. C'est parce que les skyrmions sont connus pour avoir des propriétés électromagnétiques remarquables qui peuvent former la base d'une variété d'applications techniques écoénergétiques. La recherche proposée sur les nouveaux matériaux skyrmion vise à découvrir de nouveaux matériaux qui peuvent contribuer à cet objectif socialement pertinent des technologies de l'information améliorées.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.07.2020

Responsible applicant and co-applicants


Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
198101 ExtremeP: A Joint Pressure Capability for Complementary Neutron and Muon Experiments on Quantum Materials 01.04.2021 R'EQUIP
189644 Versatile high sensitivity and throughput magnetometer for quantum, functional and applied materials 01.03.2020 R'EQUIP


The physics of topological states is a frontier research topic in Condensed Matter and Materials Science. Nowhere is this more evident than with magnetic skyrmions, these being nanometric-sized particle-like magnetic textures with a non-trivial real-space topology that endows them with a long lifetime and robustness to external perturbation. These attractive properties motivate the substantial worldwide skyrmion research effort in the fundamental and applied sciences, where a critical end-goal is the high-density integration of skyrmion ‘bits’ into viable spintronics applications. Current research into skyrmions is mainly limited to i) a small number of chiral non-centrosymmetric (NCS) bulk magnets, and ii) multilayers of ultrathin metallic films. With applications in mind, present research on both classes focuses on the discovery of skyrmions stable around room temperature, and the demonstration of their manipulation in nanofabricated samples. In contrast to multilayer systems, little effort has been devoted to addressing directly the critical issue of obtaining high skyrmion densities in bulk magnets. In particular, in the well-known group of d-electron chiral magnets, the skyrmion size is determined by the relative strengths of a Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) D relative to a stronger ferromagnetic interaction J according to ~2J/D. Usually these magnetic energy-scales conspire to create mid-range skyrmions > 50 nm in size. On the other hand, there is an urgent need for skyrmion dimensions 10-20 times smaller; smaller skyrmions promise ultra-high-density technologies, and they generate electrical signals that are more easily to detect.In this SNF project, we aim at the discovery and exploration of new high-density skyrmion phases in 4f electron magnets. Recent theory has identified alternative magnetic interactions commonly found in 4f magnets, such as the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction, as able to stabilize high-density skyrmion phases without DMI. However, 4f magnets are virtually unexplored in the context of skyrmions. Specifically, here we propose research targeting:- rare-earth magnets where RKKY interactions are anticipated to stabilize skyrmions- itinerant hexagonal magnets where four-spin interactions stabilize skyrmions.Our overall goal is to establish the conditions under which high-density magnetic skyrmion phases form in the explored materials, this having the potential to open a new frontier in skyrmion research.Achieving this ambitious objective calls for a multidisciplinary research approach. Here we will combine the necessary high-level experimental disciplines required for successful skyrmion research; including material synthesis, discovery and characterization, and state-of-the-art quantum beam research using neutrons and x-rays, making use of the infrastructure available at the Paul Scherrer Institute. To ensure the success of the proposed research, here we request funding for a post-doctoral candidate and a PhD student. The research effort will establish the microscopic conditions for high-density skyrmion phases, setting the stage for future research aimed at the rational design of materials that provide a high-density skyrmion-based applications platform