Dr. Melissa Henderson is a researcher at the Institute for Quantum Computing (IQC) and the University of Ŕ¶Ý®ĘÓƵ’s Department of Physics and Astronomy. Her research considers the scattering of neutral particles known as neutrons, and their relation to quantum materials.
Henderson’s research, alongside her PhD supervisor Dr. Dmitry Pushin – a professor at IQC and the Department of Physics and Astronomy – was recently published in Nature Physics in the paper . We reached out to her to learn about these latest findings.
Can you explain the topic you researched in this paper?
I study nanoscale magnetic structures known as skyrmions, which are present in some magnetic crystals. They are formed by the collective alignment of magnetic properties from individual atoms which twist into tornado-like vortexes significantly larger than atomic scales.
Magnetic skyrmions are primarily concerned with a concept known as topology. A simple way to visualize topology is to consider the deformations of a continuous object, such as a balloon. A balloon without any holes is said to have a topology of zero. We can stretch or compress it, but still maintain its spherical, continuous structure and therefore its topology. If we wished to alter the topology of the balloon, we could introduce a discontinuity, such as a hole. In doing this we provide energy to the system to pop the balloon.
Instead of holes in balloons, topology in skyrmions is a measure of how their magnetic properties, also known as electron spin, twist and wind in their orientations. This representation of topology can be visualized by imagining the electron spins in a cross-section of the skyrmion wrapping around a sphere. Typically, these spins cover the sphere once, pointing straight out from the centre, which corresponds to a topology of one. However, skyrmions can also have higher integer topologies where they wrap around this sphere multiple times.
What is something that excites you about your work?
I work at the cutting edge of both neutron and quantum materials physics, unifying the two fields to push the boundaries of what we know and what we can measure. It’s exciting to develop newĚýinvestigative/characterizationĚýtools which couldĚýprovide unprecedented access to magnetic phenomena and uncover novel physics. I also like that we can develop our own instrumentation and new probes that push the frontiers of the fields – that’s where the new science happens.
It is also exciting that ourĚýmeasurement/characterization techniques and results may transcend those of just neutron techniques and skyrmion systems,Ěýenabling the examination of a broader set of topological phases and excitations across a diverse range of quantum materials, spanning a variety of length, scales, dimensions, and interactions.
Can you explain your new research findings?
Prior to our work, existing skyrmion probing methods primarily utilized electrons and x-rays, both of which have limited penetration depths in the materials they are measuring. Therefore, these measurement tools require thinned and geometrically confined systems which completely change the shapes, sizes, and transition pathways of skyrmions.
Our latest finding uses so a probing technique called Small Angle Neutron Scattering to circumvent this fundamental restriction of electron and x-ray techniques as neutrons are one of the few particles that can pass through a larger crystal, known as a bulk sample. One drawback, however, is that neutrons provide a 2D average of the magnetic moments that they interacted with in the sample. To counteract this and retain the depth information, we rotated the sample and measured it from a variety of different angles, in much the same way as a CT scan uses 2D x-rays to develop a 3D image. This allowed us to visualize the 3D nature and internal structures of skyrmions in large crystal samples, known as bulk samples, for the very first time.
This result is the first demonstration of how these skyrmion tubes form and interact in bulk systems through topological defects, providing novel insight into their stabilization mechanisms and nucleation and annihilation pathways.Ěý
What are the real-world implications of these findings?
An emerging field known as spintronics uses electron spin instead of current to hold digital information. Our findings may reimagine current skyrmion-based spintronic frameworks, motivating new designs which exploit the 3D nature of skyrmions, which offerĚýnew symmetries, degrees of freedom, and dynamical behaviors compared to those of thin and confined systems.Ěý
These results open the door to a new era in the characterization of bulk quantum materials and the three-dimensional engineering of skyrmion spintronic devices. Moreover, these results offer fundamental insights into topological defect and phase behaviors, which may be applied to understand a variety of physical systems spanning superconductors to liquid crystals.Ěý
Parlons quantique avec Melissa Henderson
Melissa Henderson est chercheuse Ă l’Institut d’informatique quantique (IQC) et au DĂ©partement de physique et d’astronomie de l’UniversitĂ© de Ŕ¶Ý®ĘÓƵ; elle s’intĂ©resse Ă la diffusion des particules neutres – les neutrons – et Ă leur relation avec les matĂ©riaux quantiques.
Sa recherche, menĂ©e avec son directeur de thèse Dmitry Pushin, professeur Ă l’IQC et au DĂ©partement de physique et d’astronomie, a rĂ©cemment Ă©tĂ© publiĂ©e dans la revue Nature Physics, dans l’article «ĚýĚý». Nous sommes allĂ©s Ă sa rencontre pour en apprendre plus.
Ěý
Pouvez-vous expliquer le sujet de votre article?
J’étudie des structures magnĂ©tiques Ă l’échelle nanomĂ©trique, appelĂ©es «ĚýskyrmionsĚý», que l’on trouve dans certains cristaux magnĂ©tiques. Elles se forment par l’alignement collectif des caractĂ©ristiques magnĂ©tiques d’atomes individuels qui spiralent pour former un tourbillon observable bien au-delĂ de l’échelle atomique.
En ce qui concerne les skyrmions magnĂ©tiques, le grand concept qui nous intĂ©resse est la topologie. On peut voir cette dernière comme les dĂ©formations d’un objet continu, par exemple un ballon. On considĂ©rerait que la surface topologique d’un ballon qui ne prĂ©sente aucun trou est de genre zĂ©roĚý: on peut l’étirer, le comprimer, mais il conserve toujours sa mĂŞme structure sphĂ©rique continue, et donc sa mĂŞme topologie. Si l’on veut modifier cette topologie, on peut introduire une forme de discontinuitĂ©, comme un trou. Pour ce faire, on apporte de l’énergie dans le système afin de crever le ballon.
Maintenant, au lieu de trous dans des ballons, la topologie des skyrmions est la mesure de leurs propriétés magnétiques – ce qu’on appelle le spin des électrons – et de la manière dont ils tournent et s’enroulent selon différentes orientations. On peut visualiser cette topologie en imaginant le spin d’un électron qui, dans la coupe transversale d’un skyrmion, s’enroule autour d’une sphère. En temps normal, le spin couvrira la sphère une seule fois en pointant tout droit vers l’extérieur depuis le centre, ce qui correspond à une topologie de genre un. Mais un skyrmion peut avoir une surface dont le genre est d’un nombre entier plus grand, ce qui indique qu’il s’enroulera autour de la sphère plus d’une fois.
Qu’est-ce qui vous passionne de ce sujet?
Mon travail m’amène à la fine pointe de la physique des neutrons et des matériaux quantiques et vient unifier les deux domaines pour repousser les limites de ce que nous comprenons et pouvons mesurer. C’est passionnant d’élaborer de nouveaux outils d’investigation et de caractérisation qui pourraient nous ouvrir des portes inédites sur les phénomènes magnétiques et révéler une physique nouvelle. J’aime aussi la possibilité de développer nos propres instruments et procédés de test à l’avant-garde de chaque domaine, car c’est là que se produisent les découvertes.
C’est tellement exaltant de savoir que nos constats et méthodes de mesure et de caractérisation pourraient transcender les techniques neutroniques et les systèmes de skyrmions pour permettre l’étude d’un ensemble bien plus vaste de phases topologiques et d’états d’excitation dans toute une gamme de matériaux quantiques présentant diverses longueurs, échelles, dimensions et interactions.
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Pouvez-vous expliquer vos découvertes récentes?
Avant nos travaux, les skyrmions s’étudiaient principalement Ă l’aide d’électrons et de rayonsĚýX, mais les deux ne peuvent mesurer que jusqu’à une certaine profondeur Ă l’intĂ©rieur des matĂ©riaux. Leur emploi comme outils de mesure signifiait donc qu’il fallait s’en tenir Ă des systèmes peu Ă©pais et gĂ©omĂ©triquement limitĂ©s, ce qui change du tout au tout la forme, la taille et le trajet transitionnel des skyrmions.
Mais voilĂ que nous arrivons avec une nouvelle technique, appelĂ©e «Ěýdiffusion des neutrons aux petits anglesĚý», qui ne prĂ©sente pas les limitations fondamentales des Ă©lectrons et des rayonsĚýX parce que les neutrons sont parmi les rares particules Ă pouvoir traverser un cristal de bonne taille (un «ĚýĂ©chantillon massifĚý»). Cette technique a toutefois l’inconvĂ©nient de ne donner que la moyenne en 2D des moments magnĂ©tiques avec lesquels les neutrons ont interagi dans le matĂ©riau. Pour contrer ce problème et conserver l’information sur la profondeur, nous avons fait pivoter l’échantillon afin de prendre des mesures sous diffĂ©rents angles, un peu comme on s’y prend dans un tomodensitogramme pour produire une imageĚý3D Ă partir de clichĂ©s pris en 2D par rayonsĚýX. C’est ainsi que nous sommes arrivĂ©s Ă visualiser les trois dimensions et les structures internes des skyrmions pour la première fois dans des Ă©chantillons cristallins massifs.
Il en rĂ©sulte la première dĂ©monstration de la manière dont ces skyrmions tubulaires se forment et interagissent dans des systèmes massifs prĂ©sentant des dĂ©fauts topologiques, laquelle jette un Ă©clairage nouveau sur leurs mĂ©canismes de stabilisation ainsi que sur leurs parcours vers la nuclĂ©ation et l’annihilation.Ěý
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Quels sont les effets concrets de vos travaux?
Il y a un domaine Ă©mergent, la spintronique (ou «ĚýĂ©lectronique de spinĚý»), qui encode l’information numĂ©rique Ă l’aide du spin des Ă©lectrons plutĂ´t que d’un courant Ă©lectrique. Ă€ la lumière de nos travaux, on pourrait complètement repenser les modèles actuels en spintronique qui emploient les skyrmions pour en exploiter pleinement les trois dimensionsĚý: cela amènerait de nouvelles symĂ©tries, de nouveaux degrĂ©s de libertĂ© et de nouvelles dynamiques par rapport Ă ce qui s’observe dans les systèmes restreints et limitĂ©s en Ă©paisseur.Ěý
Notre recherche nous fait entrer dans une nouvelle ère pour la caractérisation des matériaux quantiques massifs et pour la conception tridimensionnelle de dispositifs en spintronique qui exploitent les skyrmions. Qui plus est, elle dévoile de l’information fondamentale sur les défauts topologiques et les comportements en fonction de la phase, information qui pourra servir à comprendre toutes sortes de systèmes physiques allant des supraconducteurs aux cristaux liquides.