Chiral and Topological Nature of Magnetic Skyrmions

این کتاب بر توصیف ماهیت کایرال و توپولوژیکی اسکایرمیون های مغناطیسی در هلی مغناطیس های غیرمتقارن تمرکز دارد. در این مواد، فاز شبکه اسکایرمیون به صورت یک شبکه دوربرد مرتب و بسته بندی شده با طول همبستگی در سطح نزدیک به میلی متر ظاهر می شود، در حالی که اندازه یک اسکایرمیون منفرد 3 تا 100 نانومتر است. این یک محدوده بسیار چالش برانگیز از مقیاس‌های طول (شامل 5 مرتبه قدر از ده‌ها نانومتر تا میلی‌متر) برای تکنیک‌های مشخصه‌یابی مغناطیسی است، و تا به امروز، اطلاعات گسترده‌ای در مورد این حالت جذاب و مرتب مغناطیسی مبهم باقی مانده است. در پاسخ، این کار تکنیک‌های جدید پراکندگی پرتو ایکس الاستیک رزونانسی (REXS) را توسعه می‌دهد، که به ساختار مغناطیسی، از جمله نظم دوربرد و تشکیل دامنه، و همچنین پارامترهای اسکایرمیون میکروسکوپی، اجازه می‌دهد تا در طیف کامل طول اندازه‌گیری شوند. ترازو مهمتر از همه، با استفاده از دو رنگی دایره ای در REXS، ساختار داخلی یک اسکایرمیون معین، عدد سیم پیچ توپولوژیکی و زاویه مارپیچ اسکایرمیون را می توان بدون ابهام تعیین کرد. این تکنیک‌های جدید برای بسیاری از سیستم‌های مواد قابل استفاده هستند و به ما امکان می‌دهند اطلاعاتی در مورد ساختارهای چرخشی مدوله‌شده، نظم چند فرویی، امواج اسپینی-چگالی و دیگر اشکال نظم مغناطیسی توپولوژیکی بازیابی کنیم.

This book focuses on the characterisation of the chiral and topological nature of magnetic skyrmions in noncentrosymmetric helimagnets. In these materials, the skyrmion lattice phase appears as a long-range-ordered, close-packed grid of nearly millimetre-level correlation length, while the size of a single skyrmion is 3–100 nm. This is a very challenging range of length scales (spanning 5 orders of magnitude from tens of nm to mm) for magnetic characterisation techniques, and, to date, extensive information on this fascinating, magnetically ordered state has remained elusive. In response, this work develops novel resonant elastic x-ray scattering (REXS) techniques, which allow the magnetic structure, including the long-range order and domain formation, as well as microscopic skyrmion parameters, to be measured across the full range of length scales. Most importantly, using circular dichroism in REXS, the internal structure of a given skyrmion, the topological winding number, and the skyrmion helicity angle can all be unambiguously determined. These new techniques are applicable to many materials systems, and allow us to retrieve information on modulated spin structures, multiferroic order, spin-density-waves, and other forms of topological magnetic order.