Using disorder to find new magnetic transition pathways

Thursday, November 17, 2022
by Elizabeth Kleisath

En français


A team of researchers at the Institute for Quantum Computing (IQC) have found a new tunable pathway to manipulate nanoscale magnetic structures known as skyrmions.

Their results advance efforts to access different configurations of these structures and increase their stability for magnetic memory applications, such as using these structures as new types of bits in classical or quantum computers.

Skyrmions are tiny structures present in some magnetic crystals, formed by the collective alignment of magnetic moments from individual atoms into a twisting vortex significantly larger than atomic scales. These vortices create 3-dimensional tube magnetic structures, similar to nanoscale tornadoes, that gather together into triangular or square lattice patterns of multiple vortices. The skyrmions and lattice patterns can be measured and controlled by external magnetic fields or currents.

“Previously, a lot of research has been devoted towards skyrmions in really pure, ideal single crystal systems,” says Melissa Henderson, a PhD student at IQC and the Department of Physics and Astronomy at the University of Waterloo. “It’s been a commonly held belief that the total number of skyrmions in a sample, also known as the topological charge, is conserved during rearrangements. We discovered that this conservation of skyrmion number is not the case in crystals with substantial crystalline and chemical disorder, which leads to some really interesting properties and phenomena.”

The team, which includes collaborators from McMaster University and the National Institute of Standards and Technology (NIST), introduced disorder into their crystalline material by growing a site-disordered material which exhibits variations in atomic site occupancies, randomly incorporating cobalt manganese or zinc atoms into the repeating crystal pattern. This disorder interrupts the usually straight skyrmions to create a labyrinth of zig-zag patterns that merge, end, or separate in the crystal.

Using heat and rotating the magnetic field, alongside small angle neutron scattering measurements, the researchers heated up the sample to create the disordered skyrmions. In some experiments, the researchers then took the samples and rotated them in the magnetic field to reorient the skyrmions into an ordered triangle lattice pattern. Starting from either these ordered or disordered states, the researchers began to cool the material.

“As you cool it past a certain point, you'll exit the thermal equilibrium phase and go into a metastable phase, with the degree of skyrmion order in this phase dependent on the amount of order in the initial thermal equilibrium phase,” says Henderson. “Then as you keep cooling further, the exchange parameters will change more substantially, altering the ratios, magnitudes, and directions of the interactions. This will mediate a transition to a square lattice arrangement, so you go from a triangular to a square pattern.

“It was previously thought that in disordered samples, the disorder may inhibit the transition from triangular to square. That is why what we observed is surprising. We observed a disordered-to-ordered transition where we actually gain order when coming from the disordered triangular state to the square state. This is only possible by changing the topology of the system.”

To date, this skyrmion lattice transition has only been observed for conversions between ordered triangular to ordered square lattices in bulk systems. The researchers discovered an additional transition pathway between disordered triangular states to ordered square states that must undergo a change in the number of skyrmions present, upturning the previous belief that the number of skyrmions should stay constant during phase transitions.

Throughout the metastable phase, the researchers have shown additional disorder-induced effects where the skyrmions persist in a memory effect. The skyrmions are annihilated and then recovered in the metastable phase, thought to change between structures known as magnetic torons – tiny skyrmion filaments that maintain the topological charge of the skyrmion.

“Transition between ordered and disordered states has always fascinated people in general and physicists in particular. What are the pathways that lead one into another?” says Dr. Dmitry Pushin, faculty member at IQC and Waterloo’s Department of Physics and Astronomy. “Now we can study in situ such transitions where a quantum phase topology plays an important role and might help to advance spintronic devices.”

The paper Skyrmion Alignment and Pinning Effects in a Disordered Multi-Phase Skyrmion Material Co8Zn8Mn4 was published in the journal Physical Review B on September 29th.

It was previously thought that in disordered samples, the disorder may inhibit the transition from triangular to square. That is why what we observed is surprising.

Melissa Henderson

Learn more about this research from Melissa Henderson

Remote video URL

Utiliser le désordre pour trouver de nouvelles voies de transition magnétique

Une équipe de chercheurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC) a trouvé une nouvelle voie réglable pour manipuler des structures magnétiques nanométriques appelées skyrmions. Les citations de cet article sont traduites de propos tenus en anglais par Melissa Henderson et Dmitry Pushin.

Cela constitue un progrès vers l’accès à différentes configurations de ces structures et vers une meilleure stabilité pour des applications de mémoire magnétique, par exemple en vue d’utiliser ces structures comme de nouveaux types de bits dans des ordinateurs classiques ou quantiques.

Un skyrmion est une minuscule structure présente dans certains cristaux magnétiques. Il est formé par l’alignement collectif des moments magnétiques d’atomes individuels produisant un tourbillon à une échelle sensiblement plus grande que l’échelle atomique. De tels tourbillons créent des structures magnétiques tubulaires tridimensionnelles, semblables à des tornades nanométriques, qui se rassemblent pour former des treillis en triangles ou carrés composés de multiples tourbillons. Ces skyrmions et ces treillis peuvent être mesurés et réglés par des champs magnétiques ou des courants externes.

« Beaucoup de recherches ont été effectuées auparavant sur des skyrmions dans des systèmes monocristallins idéaux vraiment purs », déclare Melissa Henderson, doctorante à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo. « On admet généralement que le nombre total de skyrmions dans un échantillon, aussi appelé sa charge topologique, est conservé lors d’une restructuration. Nous avons découvert que ce n’est pas le cas dans des cristaux comportant un désordre cristallin et chimique substantiel, ce qui se traduit par certaines propriétés et phénomènes vraiment intéressants. »

L’équipe, qui comprend des collaborateurs de l’Université McMaster et de l’Institut national des normes et de la technologie des États-Unis (NIST), a introduit du désordre dans son matériau cristallin en cultivant un matériau présentant des variations dans l’occupation des sites atomiques, et ce par l’incorporation d’atomes de cobalt, de manganèse ou de zinc dans le motif cristallin répétitif. Ce désordre perturbe les skyrmions habituellement rectilignes pour créer un labyrinthe de motifs en zigzag qui fusionnent, se terminent ou se séparent dans le cristal.

À l’aide d’une source de chaleur et de rotations du champ magnétique, tout en mesurant la diffusion de neutrons aux petits angles, les chercheurs ont chauffé l’échantillon pour créer des skyrmions désordonnés. Dans certaines expériences, les chercheurs ont ensuite fait tourner les échantillons dans le champ magnétique afin de réorienter les skyrmions dans un motif ordonné de treillis en triangles. À partir de ces états ordonnés ou désordonnés, les chercheurs ont ensuite commencé à refroidir le matériau.

« Lorsque l’on refroidit le matériau au-delà d’un certain point, dit Mme Henderson, on sort de l’état d’équilibre thermique pour atteindre un état métastable où le degré d’ordre des skyrmions dépend du degré d’ordre dans la phase initiale d’équilibre thermique. Lorsque l’on continue de refroidir davantage, les paramètres d’échange sont modifiés plus substantiellement, altérant les rapports, grandeurs et directions des interactions. Cela provoque une transition vers une structure de treillis en carrés, de sorte que l’on passe d’un motif en triangles à un motif en carrés.

« On croyait auparavant que dans des échantillons désordonnés, le désordre pourrait empêcher la transition de triangles à carrés. C’est pour cela que ce que nous avons observé est surprenant. Nous avons observé une transition d’un état désordonné à un état ordonné, où le degré d’ordre augmente effectivement avec le passage de l’état désordonné en triangles à l’état en carrés. Cela n’est possible que par un changement de topologie du système. »

Auparavant, cette transition dans les treillis de skyrmions n’a été observée que de treillis ordonnés en triangles à des treillis ordonnés en carrés dans des systèmes massifs. Les chercheurs ont découvert une voie supplémentaire de transition d’états désordonnés en triangles à états ordonnés en carrés, ce qui suppose une modification du nombre de skyrmions présents, contrairement à l’opinion antérieure selon laquelle le nombre de skyrmions devait demeurer constant pendant les transitions d’état.

Pendant toute la phase métastable, les chercheurs ont montré l’existence de conséquences supplémentaires du désordre, où les skyrmions ont un effet mémoire persistant. Au cours de la phase métastable, les skyrmions sont détruits puis restaurés, et l’on croit qu’ils passent par des structures appelées tores magnétiques — minuscules filaments de skyrmion qui conservent leur charge topologique.

« Les transitions entre états ordonnés et désordonnés ont toujours fasciné les gens en général, et les physiciens en particulier », dit Dmitry Pushin, Ph.D., professeur à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo. « Nous pouvons maintenant étudier in situ de telles transitions, où la topologie d’un état quantique joue un rôle important et pourrait permettre de faire progresser les dispositifs d’électronique de spin. »

L'article intitulé Skyrmion Alignment and Pinning Effects in a Disordered Multi-Phase Skyrmion Material Co8Zn8Mn4 (Alignement de skyrmions et effets de coincement dans Co8Zn8Mn4, matériau désordonné à skyrmions dans plusieurs états) a été publié le 29 septembre dans Physical Review B.

On croyait auparavant que dans des échantillons désordonnés, le désordre pourrait empêcher la transition de triangles à carrés. C’est pour cela que ce que nous avons observé est surprenant.

Melissa Henderson