Магнитные скирмионы — это топологические структуры спинов, обладающие свойствами квазичастиц. По аналогии с магнитными скирмионами, состоящими из спинов, полярные скирмионы формируются из электрических диполей. В 2019 году профессоры С. Дас и Р. Рамеш из Калифорнийского университета в Беркли совместно с коллегами, изменяя условия эпитаксиального ограничения и используя атомно‑разрешённую сканирующую просвечивающую электронную микроскопию, обнаружили при комнатной температуре полярные скирмионы в слое свинцового титаната, покрывающем слой титаната стронция. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Nature под названием «Observation of room-temperature polar skyrmions». Полярные скирмионы характеризуются хиральностью, отрицательной ёмкостью и топологической защитой; их размеры весьма малы — порядка нескольких нанометров, что делает их перспективными для применения в высокопроизводительных низкопотребляющих наноэлектронных устройствах. При разработке наноэлектронных устройств на основе полярных скирмионов первостепенным условием является понимание поведения фазовых переходов полярных скирмионов под воздействием внешних полей и умение управлять ими при таких условиях. Недавно команда профессора Гао Пэна из Факультета физики Пекинского университета совместно с соавторами, применяя метод in situ сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM), осуществила наблюдение за динамическим развитием и топологическими фазовыми переходами полярных скирмионов под действием электрического поля; в сочетании с фазовым моделированием им удалось раскрыть механизм фазовых переходов и взаимодействий полярных скирмионов при электрическом возбуждении, что предоставило важные ориентиры для их потенциального применения в наноэлектронных устройствах следующего поколения. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters под названием «Dynamics of Polar Skyrmion Bubbles under Electric Fields». Соавторами статьи стали Чжу Жуйсюэ из Центра квантовых материалов наук Факультета физики Пекинского университета, Цзян Чжэсинь из Школы аэрокосмических наук Чжэцзянского университета, совместно руководимая студентка Пекинского университета и Тяньцзиньского промышленного университета Чжан Синьсинь, а также профессор Чжун Сянли из Школы материаловедения и инженерии Университета Сянъяна; соавторами‑корреспондентами выступили доцент Тан Цунбинь из Хунаньского научно‑технического университета, профессор Гао Пэн из Пекинского университета, профессор Ван Цзе из Чжэцзянского университета и исследователь Бай Сюэдун из Института физики Китайской академии наук.

Ссылка на оригинал: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.107601

Исследователи с помощью сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии в режиме in situ наблюдали за процессом эволюции полярных скирмионов под действием электрического поля. Они установили, что при воздействии электрического поля скирмионные полосы сжимаются и разрываются, образуя скирмионные пузыри; по мере увеличения напряжённости поля эти пузыри сжимаются и исчезают, превращаясь в обычный ферроэлектрический монодомен. Напротив, при обратном электрическом поле они расширяются, сливаются и объединяются в единый домен. В течение одного цикла электрического поля поведение скирмионных пузырей, скирмионных полос и ферроэлектрических монодоменов оказывается обратимым; поэтому авторы считают, что электрическое поле можно использовать для управления полярными скирмионами при комнатной температуре, а на их основе — проектировать наноустройства.

В данной работе на наноразмерном уровне осуществлено in situ‑наблюдение за динамическим эволюционным поведением полярных скирмионов под действием внешнего электрического поля; продемонстрировано, что при помощи соответствующего электрического поля можно осуществлять генерацию, стирание и форм‑контроль полярных скирмионов, а также показаны взаимодействия обратимых превращений топологических монополей в реальном пространстве и роль дефектов решётки. Полученные результаты предоставляют важную информацию для управления полярными скирмионами и их применения в перспективных наноэлектронных устройствах.

Рис. 2 В рамках данного исследования использовались средства компании ZepTools Пико Фемто Образцовые стержни серии ® для in situ‑ТЕМ и STM создают условия для проведения in situ‑исследований.

Рис. 3 Внутрикристаллический образцовый стержень, использованный в данной работе