Kæmpe skyrmion topologisk Hall-effekt vises i en todimensionel ferromagnetisk krystal ved stuetemperatur - Physics World

Kæmpe skyrmion topologisk Hall-effekt vises i en todimensionel ferromagnetisk krystal ved stuetemperatur - Physics World

Tidsstempel: 15. december 2023 kl. 12:00

Kugle-og-stik-diagrammer af Fe3GaTe2-x-krystallen og et diagram af en hvirvellignende skyrmion
Stabile skyrmioner: Første-principberegninger af den skyrmion-stabiliserende Dzyaloshinskii-Moriya interaktion i uberørt (nederst) og oxideret (øverst) Fe3Port2-x gjort det muligt for holdet at forstå, hvorfor skyrmioner, der danner (til højre), er så robuste. (Med høflighed: H Chang)

Forskere i Kina har produceret et fænomen kendt som den gigantiske skyrmion topologiske Hall-effekt i et todimensionelt materiale, der kun bruger en lille mængde strøm til at manipulere skyrmioner, der er ansvarlige for det. Fundet, som et hold ved Huazhong University of Science and Technology i Hubei observerede i en ferromagnetisk krystal opdaget i 2022, kommer takket være en elektronisk spin-interaktion, der er kendt for at stabilisere skyrmioner. Da effekten var tydelig ved en lang række temperaturer, herunder stuetemperatur, kunne den vise sig nyttig til udvikling af todimensionelle topologiske og spintroniske enheder såsom racerbanehukommelse, logiske porte og spinnano-oscillatorer.

Skyrmioner er kvasipartikler med en hvirvellignende struktur, og de findes i mange materialer, især magnetiske tynde film og flerlag. De er robuste over for eksterne forstyrrelser, og med kun XNUMX nanometer på tværs er de meget mindre end de magnetiske domæner, der bruges til at kode data på nutidens harddiske. Det gør dem til ideelle byggesten til fremtidige datalagringsteknologier såsom "racetrack"-hukommelser.

Skyrmioner kan generelt identificeres i et materiale ved at opdage usædvanlige træk (for eksempel unormal resistivitet) i Hall-effekten, som opstår, når elektroner strømmer gennem en leder i nærvær af et påført magnetfelt. Magnetfeltet udøver en sideværts kraft på elektronerne, hvilket fører til en spændingsforskel i lederen, der er proportional med feltets styrke. Hvis lederen har et indre magnetfelt eller magnetisk spin-tekstur, som en skyrmion har, påvirker dette også elektronerne. Under disse omstændigheder er Hall-effekten kendt som den skyrmion topologiske Hall-effekt (THE).

For at kvasipartikler skal være nyttige som platforme for todimensionelle (2D) spintroniske enheder, er en stor THE yderst ønskelig, men skyrmionerne skal også være stabile over et bredt temperaturområde og lette at manipulere ved hjælp af små elektriske strømme. Indtil nu har det været svært at lave skyrmioner med alle disse egenskaber, siger teamleder Haixin Chang.

"De fleste kendte skyrmioner og THE stabiliseres kun i et smalt temperaturvindue enten under eller over stuetemperatur og kræver høj kritisk strømmanipulation," fortæller han Fysik verden. "Det er stadig uhåndgribeligt og meget udfordrende at opnå en stor THE med både et bredt temperaturvindue op til stuetemperatur og en lav kritisk strøm til skyrmion-manipulation, især i 2D-systemer velegnet til elektroniske og spintroniske integrationer."

Robust 2D skyrmion THE

Chang og kolleger rapporterer nu om en 2D skyrmion, der ser ud til at passe til regningen. Den THE, de observerer, forbliver ikke kun robust over et temperaturvindue, der spænder over tre størrelsesordener, den er også meget stor og måler 5.4 µΩ·cm ved 10 K og 0.15 µΩ·cm ved 300 K. Dette er mellem en og tre ordener af størrelse større end tidligere rapporteret rumtemperatur 2D skyrmion systemer. Og det er ikke alt: Forskerne fandt ud af, at deres 2D skyrmion THE kan styres med en lav kritisk strømtæthed på omkring kun 6.2×105 A·cm-2. Forskerne siger, at dette var muligt på grund af de højkvalitetsprøver, de fremstillede (som har en fint kontrollerbar 2D-ferromagnetisme), plus deres præcise kvantitative analyser af DE elektriske målinger.

Chang mener, at holdets arbejde baner vejen for stuetemperatur elektrisk styret 2D THE og skyrmion-baserede praktiske spintroniske og magnetoelektroniske enheder. "Elektrisk detektering og manipulation af skyrmioner ved rumtemperatur ved den topologiske Hall-effekt er lovende for næste generations laveffekts spintroniske enheder," siger han.

Hvor effekten kommer fra

Holdet dykkede også ned i mulige årsager til den robuste kæmpe 2D skyrmion THE, de observerede. Baseret på deres teoretiske beregninger fandt de ud af, at den naturlige oxidation af Fe3Port2-𝑥 ferromagnetisk krystal, de undersøgte, forbedrede en kendt skyrmion-stabiliserende magnetisk effekt kaldet 2D-grænseflade Dzyaloshinskii-Moriya interaktion (DMI). Derfor ved omhyggeligt at kontrollere den naturlige oxidation og tykkelse af Fe3Port2-𝑥 krystal dannede de en pålidelig oxidationsgrænseflade med en betydelig grænseflade-DMI og viste, at de var i stand til at producere en robust 2D skyrmion THE inden for et bredt temperaturvindue. Dette er ikke nogen let opgave, fordi overdreven oxidation kan få krystallens struktur til at nedbrydes, mens utilstrækkelig oxidation gør det svært at danne et stort grænseflade-DMI. Begge yderpunkter har en tendens til at hindre dannelsen af ​​skyrmioner og dermed THE.

"Vores gruppe har studeret magnetisme i 2D-krystaller siden 2014, og vi har udviklet mange nye magnetiske krystaller, inklusive den, der er studeret i dette arbejde," siger Chang. ”Både skyrmioner og den topologiske Hall-effekt er meget interessante topologiske fysiske fænomener, som typisk observeres i nogle magnetiske systemer, men som har en masse iboende begrænsninger for praktiske anvendelser.

"Vi udførte denne undersøgelse for at prøve at overvinde disse begrænsninger i traditionelle magnetiske materialer."

Forskerne siger deres arbejde, som er detaljeret i Kinesiske fysik bogstaver, kunne føre til en generel metode til tuning af 2D DMI til spintransportkontrol i 2D ferromagnetiske krystaller. "Det beviser også, at oxidation kan bruges til at inducere en gigantisk 2D meget bedre end tungmetal og andre såkaldte stærke spin-orbit-koblingsforbindelser, der traditionelt anvendes," siger Chang.

Huazhong-holdet undersøger nu at lave racerbanehukommelser og logiske gate-enheder baseret på deres 2D skyrmion-systemer til højhastigheds- og højdensitetsdatalagring, logisk drift og det, forskerne kalder "nyt-koncept kvanteberegning".

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden