Skyrmion (Skyrmion)

Định nghĩa

Một skyrmion về cơ bản là một cấu trúc xoáy của các vectơ spin, trong đó các spin thay đổi trơn tru từ một hướng ở tâm xoáy đến một hướng ngược lại ở vùng viền. Sự biến đổi này bao phủ toàn bộ mặt cầu đơn vị, tạo ra một cấu trúc topo ổn định. Điều này có nghĩa là skyrmion không thể dễ dàng bị phá hủy hoặc biến đổi thành các cấu trúc spin khác mà không cần vượt qua một rào cản năng lượng đáng kể. Cụ thể hơn, tại tâm skyrmion, các vectơ spin thường hướng vuông góc với mặt phẳng vật liệu (hướng lên hoặc xuống). Khi di chuyển ra xa tâm, các vectơ spin dần dần xoay cho đến khi chúng nằm trong mặt phẳng vật liệu ở vùng viền. Tính chất topo này chính là yếu tố quyết định sự ổn định của skyrmion. Một ví dụ trực quan để hình dung skyrmion là hình ảnh một “con nhím” với các gai (vectơ spin) hướng ra mọi phía.

Tính chất

• Ổn định topo: Như đã đề cập, skyrmions rất ổn định do tính chất topo của chúng. Số lượng quấn quanh của skyrmion, được gọi là số skyrmion $N_{sk}$, là một đại lượng được lượng tử hóa và đặc trưng cho tính ổn định topo của nó. Nó được xác định bởi tích phân sau:

$N_{sk} = \frac{1}{4\pi} \int \mathbf{m} \cdot (\frac{\partial \mathbf{m}}{\partial x} \times \frac{\partial \mathbf{m}}{\partial y}) dx dy$

Trong đó, $\mathbf{m}(x,y)$ là vectơ spin đơn vị tại vị trí $(x,y)$. $N_{sk}$ thường nhận giá trị nguyên, ví dụ như +1 hoặc -1, tương ứng với skyrmion và anti-skyrmion.

• Kích thước nhỏ: Skyrmions có thể có kích thước nano, làm cho chúng trở thành ứng cử viên tiềm năng cho các thiết bị lưu trữ dữ liệu mật độ cao.
• Dễ thao tác: Skyrmions có thể được di chuyển bằng dòng điện nhỏ, khiến chúng trở nên hấp dẫn cho các ứng dụng spintronic. Cường độ dòng điện cần thiết để di chuyển skyrmion thấp hơn nhiều so với cường độ dòng điện cần thiết để di chuyển các domain wall, mang lại lợi thế về tiêu thụ năng lượng.
• Xuất hiện trong nhiều hệ thống: Mặc dù ban đầu được đề xuất trong vật lý hạt nhân, skyrmions đã được quan sát thấy trong nhiều hệ thống vật chất ngưng tụ, bao gồm màng mỏng từ tính, tinh thể lỏng chiral, và chất siêu dẫn.

Các loại Skyrmion

Có nhiều loại skyrmions khác nhau, tùy thuộc vào vật liệu và cơ chế ổn định. Một số loại phổ biến bao gồm:

• Bloch skyrmions: Các spin quay trong mặt phẳng vuông góc với hướng xuyên tâm. Loại skyrmion này thường xuất hiện trong các hệ thống có tương tác Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) khối.
• Néel skyrmions: Các spin quay trong mặt phẳng chứa hướng xuyên tâm. Chúng thường được tìm thấy trong các hệ thống với DMI bề mặt.
• Anti-skyrmions: Cấu trúc xoáy ngược chiều với skyrmion. Số skyrmion của anti-skyrmion là -1.
• Skyrmion hình bánh rán (Toroidal skyrmion): Cấu trúc skyrmion dạng vòng. Trong loại skyrmion này, các spin ở tâm và viền đều nằm trong mặt phẳng vật liệu.

Cơ chế hình thành

Sự hình thành của skyrmions trong vật liệu từ tính thường là kết quả của sự cạnh tranh giữa các tương tác khác nhau, bao gồm:

• Tương tác trao đổi: Đây là tương tác chủ yếu chịu trách nhiệm cho sự sắp xếp song song hoặc phản song song của các spin trong vật liệu từ tính. Tương tác này thường ủng hộ sự sắp xếp đồng nhất của các spin, tức là ferromagnetism hoặc antiferromagnetism.
• Tương tác Dzyaloshinskii-Moriya (DMI): Tương tác này xuất hiện trong các hệ thiếu đối xứng đảo ngược không gian, ví dụ như ở bề mặt phân cách giữa hai vật liệu khác nhau hoặc trong các vật liệu có cấu trúc chiral. Nó ưa thích sự sắp xếp spin không đồng phẳng và là yếu tố quan trọng cho sự hình thành của skyrmions. DMI có thể được biểu diễn dưới dạng:

$E_{DMI} = \mathbf{D} \cdot (\mathbf{S}_i \times \mathbf{S}_j)$

trong đó, $\mathbf{D}$ là vectơ DMI, $\mathbf{S}_i$ và $\mathbf{S}_j$ là các spin của các nguyên tử lân cận. Vectơ DMI quyết định chiều xoắn của skyrmion (Néel hay Bloch).

• Anisotropy từ trục dễ: Tương tác này ưa thích sự sắp xếp của spin dọc theo một hướng cụ thể. Anisotropy vuông góc với mặt phẳng vật liệu là cần thiết để ổn định skyrmion.
• Từ trường ngoài: Một từ trường ngoài có thể ảnh hưởng đến sự ổn định và kích thước của skyrmions. Thông thường, một từ trường ngoài nhỏ, vuông góc với mặt phẳng vật liệu, được sử dụng để ổn định skyrmions.

Phương pháp quan sát

Skyrmions có thể được quan sát bằng nhiều kỹ thuật thực nghiệm khác nhau, bao gồm:

• Kính hiển vi lực từ (MFM): Kỹ thuật này sử dụng một đầu dò từ tính nhạy cảm để đo từ trường cục bộ của mẫu vật. MFM có thể cung cấp hình ảnh của cấu trúc spin trên bề mặt vật liệu.
• Kính hiển vi điện tử truyền qua Lorentz (Lorentz TEM): Kỹ thuật này sử dụng chùm electron để hình ảnh cấu trúc spin của vật liệu. Lorentz TEM có thể cung cấp hình ảnh có độ phân giải cao hơn MFM và có thể được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc spin bên trong vật liệu.
• Phổ tán xạ neutron phân cực spin (SPINS): Kỹ thuật này sử dụng neutron phân cực spin để thăm dò cấu trúc từ tính của vật liệu. SPINS có thể cung cấp thông tin về cấu trúc spin ba chiều của vật liệu.
• Kính hiển vi quét bằng hiệu ứng Hall bất thường (AHE-STM): Kỹ thuật này sử dụng hiệu ứng Hall bất thường để thăm dò cấu trúc spin với độ phân giải nguyên tử.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài DMI, còn những yếu tố nào khác ảnh hưởng đến sự ổn định và kích thước của skyrmions trong vật liệu từ tính?

Trả lời: Ngoài DMI, các yếu tố khác ảnh hưởng đến sự ổn định và kích thước của skyrmions bao gồm: tương tác trao đổi, anisotropy từ, từ trường ngoài, và nhiệt độ. Tương tác trao đổi ảnh hưởng đến năng lượng cần thiết để tạo ra một skyrmion. Anisotropy từ trục dễ giúp ổn định skyrmions bằng cách ưa thích hướng spin vuông góc với mặt phẳng màng mỏng. Từ trường ngoài có thể làm thay đổi kích thước và thậm chí là phá hủy skyrmions nếu đủ mạnh. Nhiệt độ cao có thể làm mất ổn định skyrmions do sự dao động nhiệt của các spin.

Skyrmions có thể di chuyển bằng dòng điện. Cơ chế vật lý đằng sau hiện tượng này là gì?

Trả lời: Skyrmions di chuyển bằng dòng điện chủ yếu thông qua mômen xoắn spin-transfer (STT) và mômen xoắn spin-orbit (SOT). STT xuất hiện do sự chuyển giao spin từ các electron dẫn đến các spin trong skyrmion, tạo ra một lực đẩy skyrmion. SOT, mặt khác, xuất hiện do sự tương tác spin-orbit trong vật liệu và tạo ra một trường hiệu dụng tác động lên skyrmion. Cả hai cơ chế này đều góp phần vào sự di chuyển của skyrmions bằng dòng điện.

Số skyrmion ($N_{sk}$) mang ý nghĩa vật lý gì và tại sao nó lại quan trọng?

Trả lời: Số skyrmion ($N{sk}$) đại diện cho số lần các vectơ spin bao phủ toàn bộ mặt cầu đơn vị khi đi từ tâm đến viền của skyrmion. Nó là một đại lượng tôpô, nghĩa là nó chỉ có thể nhận các giá trị nguyên và không thể thay đổi liên tục. Tính chất này làm cho skyrmions trở nên ổn định về mặt tôpô, tức là chúng không thể bị phá hủy dễ dàng mà không cần một lượng năng lượng đáng kể để thay đổi $N{sk}$.

Làm thế nào để phân biệt giữa Bloch skyrmions và Néel skyrmions trong thực nghiệm?

Trả lời: Bloch và Néel skyrmions có thể được phân biệt bằng cách xác định chiều quay của các spin trong skyrmion. Trong Bloch skyrmions, các spin quay trong mặt phẳng vuông góc với hướng xuyên tâm từ tâm ra viền. Trong Néel skyrmions, các spin quay trong mặt phẳng chứa hướng xuyên tâm. Các kỹ thuật như Lorentz TEM và SPINS có thể được sử dụng để xác định cấu trúc spin và phân biệt giữa hai loại skyrmions này.

Những thách thức chính nào cần được giải quyết để ứng dụng skyrmions trong các thiết bị thực tế?

Trả lời: Một số thách thức chính cần được giải quyết bao gồm: ổn định skyrmions ở nhiệt độ phòng, tăng tốc độ di chuyển của skyrmions, kiểm soát việc tạo ra và xóa bỏ skyrmions một cách chính xác, và giảm thiểu dòng điện cần thiết để thao tác skyrmions. Việc vượt qua những thách thức này sẽ mở đường cho việc tích hợp skyrmions vào các thiết bị lưu trữ dữ liệu và spintronic thế hệ tiếp theo.