OBSERVAN LOS ESTADOS ESPIRAL HÍBRIDOS BLOCH-NÉEL EN UN MATERIAL MAGNÉTICO ANTI-SKYRMIÓNICO

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Figura 1. Ilustración esquemática de las estructuras de espín helicoidal (izquierda), cicloidal (centro) y anti-skyrmiónica (derecha) en materiales no centrosimétricos pertenecientes al grupo de simetría D_2d.

Cerdanyola del Vallès (Barcelona), 23 de diciembre de 2022. Los momentos magnéticos atómicos en materiales con espines electrónicos desapareados pueden estar sujetos a las interacciones. Entre ellas se encuentran la interacción dipolar y la interacción de canje, que en gran medida gobiernan la orientación relativa de los espines vecinos. El canje clásico de Heisenberg alinea los espines paralelos o antiparalelos mientras que la interacción dipolar lleva a la formación de dominios magnéticos y da pie a la existencia de regiones de transición, llamadas paredes de dominio, donde los espines rotan formando paredes de Bloch o de Néel. Los términos antisimétricos como la interacción de Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) estabiliza estructuras de mayor complejidad como modulaciones helicoidales y cicloidales de espín, y estructuras no coplanares más complejas como los skyrmiones y anti-skyrmiones con protección toplológica (ver Fig.1). Las paredes de dominio y los más recientemente descubiertos estados skyrmion y anti-skyrmion despiertan gran interés actualmente como una potencial base para tecnología espintrónica más veloz y eficiente energéticamente.

Recientemente, múltiples fenómenos intrigantes han sido descubiertos en compuestos tetragonales de Heusler, donde la simetría D_2d fija una interacción única entre la DMI y la interacción dipolar. En el compuesto con simetría D_2d prototípico, el Mn_1.4PtSn, esto ha permitido la estabilización de texturas de espín exóticas como los anti-skyrmions [1] o los skyrmions elípticos de tipo Bloch [2,3]. En la estructura cristalina de la aleación Mn_1.4PtSn las capas atómicas están apiladas de tal manera que causa que los vectores DMI roten alrededor del plano ab de manera que es paralelo a los enlaces Mn-Mn a lo largo de los ejes cristalográficos [100] y perpendicular a los enlaces a lo largo de [110] (ver figura 1). De acuerdo con la teoría, la consecuencia directa de esto es que las modulaciones helicoidales de tipo Bloch son favorecidas por los vectores de propagación Q a lo largo de [100], mientras que los vectores de propagación de [100] corresponderían a cicloides de Néel [4]. El sentido de rotación de las espirales de espín también se discierne en la estructura interna del anti-skyrmion que representa una superposición doble-k de dos hélices y dos cicloides rotados 45º uno en respecto al otro, como se destaca en la figura 1 [1].  Además de de la DMI, las interacciones dipolares juegan un rol importante en la gran cantidad de fases inducidas por el campo magnético en el compuesto de Heusler D_2d, el Mn1.4PtSn, y su periodicidad característica. Aunque se le ha dado menos atención al estado espiral de campo poco intenso, este es extremadamente interesante como el caso con la fase más simple donde investigar la compleja jerarquía de las interacciones magnéticas en esta familia de materiales.

Una colaboración internacional entre la Universidad Técnica de Dresden (Alemania), el Instituto Paul Scherrer (Suiza), el Helmholtz-Zentrum Berlin (Alemania), el Instituto Max Planck para la Química Física de los Sólidos (Alemania) y el Sincrotrón ALBA, ha combinado técnicas avanzadas de nanofabricación y de dispersión resonante de rayos-x para realizar el estudio único de la naturaleza de las espirales magnéticas en Mn1.4PtSn a temperaturas de helio líquido y campos magnéticos intensos. Los resultados del estudio se han publicado como "Letter" en Physical Review B.

Particularmente, las medidas de dispersión elástica resonante de ángulo pequeño de rayos-x (REXS), usando la estación experimental de dispersión MaReS en la línea de luz BOREAS del Sincrotrón ALBA, han revelado la posibilidad de manipular los estados espirales en el Mn1.4PtSn aplicando campos magnéticos en direcciones específicas en respecto a la estructura cristalina. Así, con experimentos REXS en cristales únicos nanofabricados de alta calidad de Mn_1.4PtSn a bajas temperaturas (<150K), los investigadores han evidenciado como la simetría D_2d subyacente del DMI en este material se refleja en su textura magnética. El estudio revela la existencia de una novedosa y compleja fase metaestable, que posiblemente tiene un carácter mixto entre una hélice tipo Bloch y una cicloide tipo Néel que se forma a baja temperatura a campo nulo en el entrenamiento de campo “in-plane”. Está estructura espiral de espín hibrida tiene una ajustabilidad destacable, permitiendo inclinar su orientación más allá de las direcciones cristalográficas de alta simetría y controlar su periodo espiral. Estos resultados amplían la riqueza del diagrama de fases magnético exótico de los materiales de Heusler D_2d  y extienden su ajustabilidad, mejorando así las posibilidades para futuras investigaciones fundamentales y potenciales aplicaciones en tecnologias de ahorro energético.

 (a-d): Patrones REXS medidos a 100K en (a) el estado inicial del Mn_1.4PtSn después de un enfriamiento a campo nulo (“S0”) y (b) después de un entrenamiento de campo ‘in-plane’ (“SI”). La dirección de entrenamiento de campo ex-situ se muestra en la imagen (b). Perfiles de intensidad radial (c) y azimutal (d), en el plano del detector, de los patrones REXS tomados en estados S0 y SI. φ = 90^◦ corresponde a Q||[100]. Las curvas de color gris oscuro (amarillas punteadas) muestran los datos en bruto (suavizados). Las curvas son ‘offset’ por claridad. Los cortes radiales se tomaron en ángulos azimutales que corresponden a la intensidad máxima de los picos de Bragg como líneas rectangulares con un ancho de ∆Q ≈6·10⁻⁴ Å. Los perfiles azimutales corresponden a la intensidad integrada sobre un anillo delgado conteniendo los picos.

Referencia: Hybrid Bloch-Néel spiral states in Mn1.4PtSn probed by resonant soft x-ray scattering A. S. Sukhanov, V. Ukleev, P. Vir, P. Gargiani, M. Valvidares, J. S. White, C. Felser, and D. S. Inosov. Physical Review B (2022)

[1] A. K. Nayak, et al., Nature 548, 561 (2017)

[2] L. Peng, et al., Nat. Nanotechnol. 15, 181 (2020)

[3] J. Jena, et al., Nat. Comm. 11, 1 (2020)

[4] A. Bogdanov and A. Hubert, J. Magn. Magn. Mater. 138, 255 (1994).