Kvasipartikler kaldet meroner optræder i en syntetisk antiferromagnet for første gang - Physics World

Et internationalt team af forskere har identificeret kvasipartikler kaldet meroner i en syntetisk antiferromagnet for første gang. Resultatet kan føre til nye koncepter for spintronics-enheder, som bruger elektronens magnetiske moment, eller spin, til at lagre og behandle information.

Forskere søger at udnytte elektronspin på denne måde, fordi spintronics-baserede computerhukommelsesenheder ville være hurtigere og mere kompakte end nutidens rent elektroniske. Spørgsmålet om, hvordan man bedst bygger sådanne enheder, har endnu ikke noget endeligt svar, men meget nyere forskning har fokuseret på strukturer kaldet skyrmioner som potentielle byggesten. Disse strukturer er kvasipartikler, der består af adskillige elektronspin og kan opfattes som todimensionelle hvirvler (eller "spin-teksturer") i et materiale.

Skyrmioner findes i mange magnetiske materialer, herunder kobolt-jern-silicium og mangan-silicid tynde film, hvori de først blev opdaget. De er attraktive spintronics-kandidater, fordi de er robuste over for eksterne forstyrrelser, hvilket gør dem særligt stabile til lagring og behandling af den information, de indeholder. Med kun 10 nanometer på tværs er de også meget mindre end de magnetiske domæner, der bruges til at kode data i nutidens diskdrev, hvilket gør dem ideelle til fremtidige datalagringsteknologier såsom "racetrack"-hukommelser.

Ligesom skyrmioner består meroner af adskillige individuelle spins. I modsætning til dem er deres herreløse magnetfelter minimale, hvilket ville lette ultrahurtige operationer og endnu højere informationslagringstætheder i en enhed. Indtil nu er meroner dog kun blevet observeret i naturlige antiferromagneter, hvor de har vist sig svære at analysere og manipulere.

Minimale netto magnetiske momenter

Forskere hos Johannes Gutenberg Universitet Mainz (JGU) i Tyskland; Tohoku Universitet, Japan; og ALBA Synchrotron Light Facility i Spanien har man nu identificeret meroner i syntetiske antiferromagneter lavet af flerlagsstabler af indbyrdes koblede individuelle ferromagnetiske lag. I modsætning til naturlige antiferromagneter kan disse syntetiske materialer fremstilles på en velkontrolleret måde ved hjælp af etablerede teknikker såsom sputteraflejring.

Denne udsøgte kontrol gjorde det muligt for holdet at justere, hvordan de forskellige lag interagerer, og derved minimere deres netto magnetiske momenter. Dette giver systemet fordele ved både antiferromagneter (hvor elektronspin har tendens til at justere antiparallelt med hinanden) og ferromagneter (som har parallelle elektronspin). Eksempler inkluderer ikke kun lave magnetfelter, men også stabile homochirale teksturer og hurtig spindynamik inden for en polykrystallinsk indstilling, forklarer Mona Bhukta, ph.d.-studerende på JGU og studiets medleder.

"I vores arbejde har vi med succes stabiliseret disse spin-teksturer i syntetiske antiferromagneter med en meget lille let-plan anisotropi (så den foretrukne orientering af magnetiseringen ligger i filmplanet) og afbildet deres indviklede strukturer ved at kombinere flere billeddannelsesmetoder," siger Bukhta. De anvendte metoder omfattede magnetisk kraftmikroskopi og scanningelektronmikroskopi med polarisationsanalyse samt elementspecifik fotoemissionselektronmikroskopi ved hjælp af røntgenmagnetisk cirkulær dikroisme.

Takket være disse billeddannelsesteknikker identificerede holdet flere forskellige spin-teksturer i det stablede materiale. Dette var ikke let, da forskerne skulle afbilde kvasipartiklerne på en måde, der løser alle tre komponenter i magnetiseringsvektoren, før de utvetydigt kunne påvise tilstedeværelsen af ​​meroner. Forskerne udviklede også en analytisk model til at belyse de mekanismer, der stabiliserer sådanne strukturer i deres system. Målet i dette tilfælde var at bestemme den optimale tykkelse af hvert lag og identificere de bedste "værtsmaterialer" til meroner.

Beslægtede strukturer blev også observeret

Udover at identificere meroner, observerede holdet også relaterede strukturer såsom antimeroner og topologisk stabiliserede bimeroner i deres syntetiske antiferromagneter. I modsætning til skyrmioner er retningen af ​​netmagnetiseringen og det emergente felt produceret af bimeroner indbyrdes ortogonale, forklarer Bhukta.

"Denne karakteristiske egenskab gør os for eksempel i stand til direkte at sondere og manipulere den topologiske Hall-effekt ved hjælp af meronspin-teksturerne," fortæller hun Fysik verden. Denne effekt opstår, når elektroner strømmer gennem en leder i nærvær af et magnetfelt. Det påførte magnetfelt udøver en sideværts kraft på elektronerne, hvilket fører til en spændingsforskel, der er proportional med feltets styrke. Hvis lederen har et indre magnetfelt eller magnetisk spin tekstur, påvirker dette også elektronerne.

"Hall-signalerne fra bimeroner giver et direkte middel til at detektere og kvantificere topologi, hvilket giver os den spændende mulighed for at udvikle magnetisk-topologi-baserede teknologier, hvor topologi tjener som informationsbærer," siger Bhukta.

Forskerne, der detaljerer deres arbejde i Nature Communications, planlægger nu at undersøge samspillet mellem meroner og eksterne magnetfelter og elektriske strømme. "Vi vil også gerne studere, hvordan de interagerer indbyrdes," siger Bhukta.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-called-merons-appear-in-a-synthetic-antiferromagnet-for-the-first-time/