يظهر تأثير هول الطوبولوجي العملاق Skyrmion في بلورة مغناطيسية ثنائية الأبعاد في درجة حرارة الغرفة – عالم الفيزياء

أنتج الباحثون في الصين ظاهرة تعرف باسم تأثير هول الطوبولوجي العملاق السكايرميون في مادة ثنائية الأبعاد باستخدام كمية صغيرة فقط من التيار للتعامل مع السكايرميونات المسؤولة عنها. يأتي هذا الاكتشاف، الذي لاحظه فريق من جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا في هوبي في بلورة مغناطيسية حديدية تم اكتشافها في عام 2022، بفضل تفاعل الدوران الإلكتروني المعروف بتثبيت السكايرميون. وبما أن التأثير كان واضحًا في نطاق واسع من درجات الحرارة، بما في ذلك درجة حرارة الغرفة، فقد يكون مفيدًا في تطوير أجهزة طوبولوجية وإلكترونية ثنائية الأبعاد، مثل ذاكرة مضمار السباق، والبوابات المنطقية، ومذبذبات النانو الدوارة.

Skyrmions هي أشباه جسيمات ذات بنية تشبه الدوامة، وهي موجودة في العديد من المواد، ولا سيما الأغشية الرقيقة المغناطيسية والطبقات المتعددة. فهي قوية في مواجهة الاضطرابات الخارجية، ويبلغ قطرها عشرات النانومترات فقط، وهي أصغر بكثير من المجالات المغناطيسية المستخدمة لتشفير البيانات في الأقراص الصلبة الحالية. وهذا يجعلها لبنات بناء مثالية لتقنيات تخزين البيانات المستقبلية مثل ذكريات "مضمار السباق".

يمكن التعرف على Skyrmions بشكل عام في مادة ما عن طريق اكتشاف ميزات غير عادية (على سبيل المثال، المقاومة غير الطبيعية) في تأثير هول، والذي يحدث عندما تتدفق الإلكترونات عبر موصل في وجود مجال مغناطيسي مطبق. يؤثر المجال المغناطيسي على الإلكترونات بقوة جانبية، مما يؤدي إلى فرق الجهد في الموصل الذي يتناسب مع قوة المجال. إذا كان الموصل يحتوي على مجال مغناطيسي داخلي أو نسيج دوران مغناطيسي، كما هو الحال في Skyrmion، فإن هذا يؤثر أيضًا على الإلكترونات. في هذه الظروف، يُعرف تأثير هول باسم تأثير هول الطوبولوجي (THE).

لكي تكون أشباه الجسيمات مفيدة كمنصات للأجهزة الإلكترونية الدورانية ثنائية الأبعاد (2D)، فإن وجود THE كبير أمر مرغوب فيه للغاية، ولكن يجب أيضًا أن تكون السكيرميونات مستقرة على نطاق واسع من درجات الحرارة ويسهل التعامل معها باستخدام تيارات كهربائية صغيرة. حتى الآن، كان صنع سكيرميونز بكل هذه الخصائص أمرًا صعبًا، كما يقول قائد الفريق هايشين تشانغ.

يقول: "معظم عمليات Skyrmions المعروفة و THE يتم تثبيتها في نافذة ضيقة لدرجة الحرارة إما أقل من درجة حرارة الغرفة أو أعلى منها وتتطلب معالجة تيار حرج عالي". عالم الفيزياء. "لا يزال تحقيق THE كبير أمرًا بعيد المنال وصعبًا للغاية مع كل من نافذة درجة حرارة واسعة تصل إلى درجة حرارة الغرفة وتيار حرج منخفض لمعالجة Skyrmion، خاصة في الأنظمة ثنائية الأبعاد المناسبة للتكاملات الإلكترونية والإلكترونية."

قوية 2D skyrmion THE

يقوم تشانغ وزملاؤه الآن بالإبلاغ عن سكيرميون ثنائي الأبعاد يبدو أنه يناسب الفاتورة. لا يقتصر الأمر على أن الـ THE الذي لاحظوه يظل قويًا على نافذة درجة حرارة تمتد إلى ثلاثة درجات من حيث الحجم، بل إنه أيضًا كبير جدًا، حيث يبلغ قياسه 2 ميكرومتر عند 5.4 كلفن و10 ميكرومتر عند 0.15 كلفن. وهذا يتراوح بين واحد وثلاثة أوامر حجم أكبر من أنظمة Skyrmion ثنائية الأبعاد التي تم الإبلاغ عنها سابقًا في درجة حرارة الغرفة. وهذا ليس كل شيء: فقد وجد الباحثون أن سكيرميونهم ثنائي الأبعاد THE يمكن التحكم فيه بكثافة تيار حرجة منخفضة تبلغ حوالي 300×2 فقط.⁵ أ·سم^-2. يقول الباحثون إن هذا كان ممكنًا بسبب العينات عالية الجودة التي صنعوها (والتي تحتوي على مغناطيسية حديدية ثنائية الأبعاد يمكن التحكم فيها بدقة)، بالإضافة إلى تحليلاتهم الكمية الدقيقة للقياسات الكهربائية.

يعتقد تشانغ أن عمل الفريق يمهد الطريق لأجهزة 2D THE التي يتم التحكم فيها كهربائيًا في درجة حرارة الغرفة والأجهزة الإلكترونية المغناطيسية والإلكترونية المغناطيسية العملية القائمة على Skyrmion. ويقول: "إن الكشف الكهربائي في درجة حرارة الغرفة والتلاعب بالسكيرميونات بواسطة تأثير هول الطوبولوجي يعد أمرًا واعدًا للجيل القادم من الأجهزة الإلكترونية السبينية منخفضة الطاقة".

من أين يأتي التأثير

بحث الفريق أيضًا في الأسباب المحتملة لوجود Skyrmion العملاق القوي ثنائي الأبعاد الذي لاحظوه. وبناء على حساباتهم النظرية، وجدوا أن الأكسدة الطبيعية للحديد₃بوابة_2-𝑥 عززت البلورة المغناطيسية المغناطيسية التي درسوها تأثيرًا مغناطيسيًا معروفًا لتثبيت Skyrmion يسمى تفاعل Dzyaloshinskii-Moriya البيني ثنائي الأبعاد (DMI). وبالتالي، من خلال التحكم بعناية في الأكسدة الطبيعية وسمك الحديد₃بوابة_2-𝑥 كريستال، قاموا بتشكيل واجهة أكسدة موثوقة مع واجهة DMI كبيرة الحجم، وأظهروا أنهم قادرون على إنتاج Skyrmion قوي ثنائي الأبعاد THE ضمن نافذة درجة حرارة واسعة. هذه ليست مهمة سهلة لأن الأكسدة المفرطة يمكن أن تتسبب في تدهور بنية البلورة، في حين أن الأكسدة غير الكافية تجعل من الصعب تشكيل DMI كبير بيني. يميل كلا الطرفين إلى إعاقة تكوين Skyrmions وبالتالي THE.

تتبع التيارات الكهربائية الضعيفة سكيرميونات مغناطيسية صغيرة

يقول تشانغ: "كانت مجموعتنا تدرس المغناطيسية في البلورات ثنائية الأبعاد منذ عام 2، وقمنا بتطوير العديد من البلورات المغناطيسية الجديدة، بما في ذلك تلك التي تمت دراستها في هذا العمل". "يعتبر كل من Skyrmions وتأثير Hall الطوبولوجي ظواهر فيزيائية طوبولوجية مثيرة للاهتمام للغاية والتي يتم ملاحظتها عادةً في بعض الأنظمة المغناطيسية، ولكن بها الكثير من القيود الجوهرية للتطبيقات العملية.

"لقد أجرينا هذه الدراسة لمحاولة التغلب على هذه القيود في المواد المغناطيسية التقليدية."

ويقول الباحثون عملهم، الذي تم تفصيله في رسائل الفيزياء الصينية، يمكن أن يؤدي إلى منهجية عامة لضبط 2D DMI للتحكم في النقل الدوراني في البلورات المغناطيسية ثنائية الأبعاد. يقول تشانغ: "إن هذا يثبت أيضًا أنه يمكن استخدام الأكسدة لتحفيز 2D عملاق، وهو أفضل بكثير من المعادن الثقيلة وغيرها من مركبات الاقتران القوية ذات المدار الدوراني المستخدمة تقليديًا".

فريق هواتشونغ تبحث الآن في صنع ذكريات مضمار السباق وأجهزة البوابة المنطقية استنادًا إلى أنظمة Skyrmion ثنائية الأبعاد الخاصة بها لتخزين البيانات عالية السرعة والكثافة والتشغيل المنطقي وما يسميه الباحثون "الحساب الكمي ذو المفهوم الجديد".

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/