Podoktorski projekti

Šifra projekta: Z1-1852

Naslov projekta:  Raziskave frustriranih skirmionov z jedrsko magnetno resonanco

Trajanje: 1. 10. 2019–30. 9. 2021Logotip financerja:

Vodja projekta: dr. Matjaž Gomilšek

Organizacija prijaviteljica: Institut ‘Jožef Stefan’

Vsebinski opis projekta

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, kar je oviralo njihovo praktično uporabo in upočasnilo napredek pri njihovem razumevanju. 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.

Eno temeljnih odprtih vprašanje je vrsta tekmujočih frustriranih interakcij (geometrijska frustracija kratkega dosega ali RKKY in bikvadratne interakcije dolgega dosega), ki vodijo do frustriranih skirmionov v Gd₂PdSi₃ in Gd₃Ru₄Al₁₂, vrsta in narava teh novih skirmionov (Blochova ali Néelova), njihova spinska dinamika, ter njihov odziv na kemijsko substitucijo. Najti odgovore na ta vprašanja ni pomembno le s stališča osnovne fizike, ampak tudi za dizajniranje optimiziranih materialov s skirmioni za praktično uporabo.

Projekt sestavljala sinteza monokristalov Gd₂PdSi₃ in Gd₃Ru₄Al₁₂, njihova preliminarna karakterizacija z uporabo običajnega sipanja rentgenskih žarkov in meritev magnetne susceptibilnosti, čemur bodo sledile meritve NMR, ki bodo razkrili porazdelitve notranjih polj, ter meritve spinske relaksacije NMR, ki bodo dale komplementarno informacijo o dinamiki skirmionov v teh materialih. Zaradi omejenega področja stabilnosti kiralnih skirmionov bi bile takšne natančne NMR meritve notranjih polj in spinske dinamike na njih nemogoče, saj zahtevajo visoka zunanja polja, v novih spojinah s frustriranimi skirmioni pa so izvedljive. Projekt tako predstavlja prvo uporabo dokazano izjemno zmogljive tehnike NMR za preučevanje magnetnih skirmionov. Po potrebi bomo opravili tudi relevantne komplementarne meritve specifične toplote, magnetnega navora, mionske spinske relaksacije/resonance (ľSR), resonančnega sipanja X-žarkov (REXS) in druge.

Za razrešitev vpliva kemijske substitucije na frustrirane skirmione (vpliv na področje stabilnosti, življenjske čase, itd.), bomo v projektu proučevali tudi druge spojine iz nizov R₂PdSi₃ in R₃Ru₄Al₁₂ (R: redka zemlja), ter preverili prisotnost in lastnosti frustriranih skirmionov tudi v teh. Projekt vključuje sintezo in karakterizacijo ter meritve NMR na dopiranih in substituiranih predstavnikih iz obeh nizov spojin. Pridobljena spoznanja bomo 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.

Projekt, ki je prejel financiranje kot temeljni podoktorski projekt s strani ARRS, bo omogočil znaten napredek v razumevanju magnetnih skirmionov. Poleg tega bo vzpostavil sodelovanje med Institutom ťJožef StefanŤ in £7 milijonskim EPSRC Skirmionskim projektom (Skyrmion Project) iz Velike Britanije, v sodelovanju s katerim bo opravljena večina sinteze vzorcev, ter izvedba nekaterih podpornih meritev.

Faze projekta1. Faza: NMR na čistem Gd₂PdSi₃
2. Faza: NMR na substituiranem R₂PdSi₃
3. Faza: NMR na čistem Gd₃Ru₄Al₁₂
4. Faza: NMR na substituiranem R₃Ru₄Al₁₂
5. Faza: NQR na čistih GaV₄S₈ in GaV₄Se₈
6. Faza: βNMR na materialih s skirmioni

7. Faza: Predstavitev rezultatov