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Unraveling the role of topological magnetic defects in skyrmion lattice formation and dynamics with three-dimensional X-ray imaging.

English title Unraveling the role of topological magnetic defects in skyrmion lattice formation and dynamics with three-dimensional X-ray imaging.
Applicant Scagnoli Valerio
Number 192162
Funding scheme Project funding
Research institution Mikro- und Nanotechnologie Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.09.2020 - 31.08.2024
Approved amount 622'834.00
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Keywords (5)

phase transition; skyrmion lattice dynamics; 3D magnetic tomography; skyrmion; topology

Lay Summary (Italian)

Lead
In sintesiI materiali magnetici costituiscono oggigiorno il principale strumento di archiviazione di informazioni digitale. L'aumento massiccio della massa di dati da gestire e da salvaguardare richiede lo sviluppo di nuovi materiali piu' performanti. Il nostro progetto riguarda la comprensione della formazione di strutture magnetiche che potrebbero offrire una base per sviluppare nuove classi di materiali magnetici ottimizzati per lo stoccaggio e il trasferimento rapido di informazioni digitali.
Lay summary

Titolo del progetto di ricerca

Unraveling the role of topological magnetic defects in skyrmion lattice formation and dynamics with three-dimensional X-ray imaging

Svelare il ruolo dei difetti magnetici topologici nella formazione e nella dinamica del reticolo di skyrmioni con la visualizzazione tridimensionale per mezzo dei raggi X

Soggetto e obiettivo

Il nostro obiettivo in questo progetto è di verificare il meccanismo di formazione di strutture magnetiche esotiche di recente scoperta, nominate “skyrmioni”. Normalmente i materiali magnetici si dividono tra quelli in cui i momenti magnetici atomici (che si possono paragonare ad un ago di una bussola per la loro sensibilità ai campi magnetici) sono tutti paralleli tra loro, i cosidetti ferromagneti (il classico magnete che serve ad attaccare la lista della spesa sul frigo) e in antiferromagneti, dove i momenti magnetici atomici si allineano a coppie con direzioni opposte. Questi ultimi ad uno sguardo superficiale appaiono come dei materiali non magnetici, tuttavia presentano proprietà fisiche particolari, che sono interessanti sia da un punto di vista di comprensione di alcune proprietà dei materiali e per le applicazioni pratiche, specialmente nel campo di dispositivi di archiviazione di informazioni digitali.

Tuttavia alcuni materiali sfuggono a questa semplice caratterizzazione e presentano strutture magnetiche più complesse, per la cui descrizione bisogna introdurre dei modelli fisici più complessi. A questa complessità sono spesso legati fenomeni molto interessanti come la possibilità di manipolare i momenti magnetici con delle correnti elettriche al posto di un campo magnetico esterno, con grandi vantaggi in termini di efficienza energetica. L'interesse non è puramente accademico ma ha importanti ripercussioni tecnologiche in particolare per dispositivi elettronici presenti nei computer e nei server “nella nuvola” che contengono oggigiorno la stragrande parte delle informazioni presenti su internet.

 

Nel nostro progetto siamo interessati ad una classe di materiali magnetici che contengono configurazioni di momenti magnetici assai complessi, che hanno il pregio di essere molto stabili e di poter diventare (almeno in teoria) possibili elementi di memoria magnetica ad alta densità. Nel nostro progetto vogliamo verificare come queste strutture magnetiche si formino nei materiali e come reagiscano a delle sollecitazioni date da correnti impulsate. Per far questo utilizzeremo delle tecniche di visualizzazione tridimensionale che sono state recentemente sviluppate nel nostro gruppo e dai nostri collaboratori.

 

Parole chiave

 

Information technology, information storage and manipulation, skyrmions, X-ray imaging, three-dimensional magnetic tomography, pump-probe experiments

Direct link to Lay Summary Last update: 05.08.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Abstract

In this project we propose to quantitatively determine the presence and the role of magnetic topological defects on the creation and disappearance of a skyrmion lattice by means of X-ray diffraction imaging and our newly developed X-ray magnetic tomographic methods. Specifically, we will address these open questions in the Co-Zn-Mn alloys, which support skyrmion lattices, under the application of sub-100 mT magnetic fields at room temperature. The skyrmions in these alloys are stabilized by their topological nature and by the presence of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction, and their size, roughly 125 nm in diameter, makes them suitable for investigation with X-ray imaging techniques. Moreover, it has been demonstrated that, in one of the members of the Co-Zn-Mn family, the skyrmion lattice can be stabilized at room temperature, even in the absence of an external magnetic field, making it an ideal candidate for X-ray magnetic tomography experiments.Finally, we aim at establishing a quantitative picture of the magnetization dynamics of skyrmion lattices. While ferromagnetic resonance experiments offer an average measurement of the magnetization dynamics, our results will provide a quantitative description of the evolution of the spin configuration as a function of the resonance excitation. In particular, we aim to observe the change in the magnetic configuration of the sample whilst subjected to its eigenmode excitation frequencies. Specifically, we are interested in determining whether the each skyrmion string follows the excitation as a rigid body. Our results could even offer some ground for comparison with Abrikosov lattices in superconductors, which share some similarities with skyrmion lattices.This project will lead to a significant advance in the understanding of the static and dynamical properties of topological defects in magnetic systems, with the aim of directly observing the change in the three-dimensional magnetic configuration that is predicted to be mediated by different types of topological defects, some of which are proposed as a new concept for the design of the next generation devices for information storage and manipulation.
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