Topologischer Hall-Effekt eines riesigen Skyrmions erscheint in einem zweidimensionalen ferromagnetischen Kristall bei Raumtemperatur – Physics World

Forscher in China haben ein Phänomen, das als topologischer Hall-Effekt des Riesenskyrmions bekannt ist, in einem zweidimensionalen Material erzeugt, indem sie nur eine geringe Strommenge zur Manipulation der dafür verantwortlichen Skyrmionen verwendeten. Der Befund, den ein Team der Huazhong-Universität für Wissenschaft und Technologie in Hubei in einem 2022 entdeckten ferromagnetischen Kristall beobachtete, beruht auf einer elektronischen Spin-Wechselwirkung, von der bekannt ist, dass sie Skyrmionen stabilisiert. Da der Effekt in einem weiten Temperaturbereich, einschließlich Raumtemperatur, sichtbar war, könnte er sich für die Entwicklung zweidimensionaler topologischer und spintronischer Geräte wie Rennstreckenspeicher, Logikgatter und Spin-Nanooszillatoren als nützlich erweisen.

Skyrmionen sind Quasiteilchen mit einer wirbelartigen Struktur und kommen in vielen Materialien vor, insbesondere in magnetischen Dünnfilmen und Mehrfachschichten. Sie sind robust gegenüber äußeren Störungen und mit einem Durchmesser von nur einigen zehn Nanometern viel kleiner als die magnetischen Domänen, die zum Kodieren von Daten in heutigen Festplatten verwendet werden. Das macht sie zu idealen Bausteinen für zukünftige Datenspeichertechnologien wie „Racetrack“-Speicher.

Skyrmionen können im Allgemeinen in einem Material identifiziert werden, indem ungewöhnliche Merkmale (z. B. ein abnormaler spezifischer Widerstand) im Hall-Effekt entdeckt werden, der auftritt, wenn Elektronen in Gegenwart eines angelegten Magnetfelds durch einen Leiter fließen. Das Magnetfeld übt eine seitliche Kraft auf die Elektronen aus, was zu einer Spannungsdifferenz im Leiter führt, die proportional zur Stärke des Feldes ist. Wenn der Leiter wie ein Skyrmion über ein inneres Magnetfeld oder eine magnetische Spintextur verfügt, wirkt sich dies auch auf die Elektronen aus. Unter diesen Umständen wird der Hall-Effekt als topologischer Skyrmion-Hall-Effekt (THE) bezeichnet.

Damit Quasiteilchen als Plattformen für zweidimensionale (2D) spintronische Geräte nützlich sind, ist ein großes THE äußerst wünschenswert, aber die Skyrmionen müssen auch über einen weiten Temperaturbereich stabil und mit kleinen elektrischen Strömen leicht zu manipulieren sein. Bisher sei es schwierig gewesen, Skyrmionen mit all diesen Eigenschaften herzustellen, sagt Teamleiter Haixin Chang.

„Die meisten bekannten Skyrmionen und THE werden nur in einem engen Temperaturfenster entweder unter oder über Raumtemperatur stabilisiert und erfordern eine hohe kritische Strommanipulation“, erklärt er Physik-Welt. „Es ist immer noch schwer zu erreichen und eine große Herausforderung, ein großes THE mit einem breiten Temperaturfenster bis zur Raumtemperatur und einem niedrigen kritischen Strom für die Skyrmion-Manipulation zu erreichen, insbesondere in 2D-Systemen, die für elektronische und spintronische Integrationen geeignet sind.“

Robustes 2D-Skyrmion THE

Chang und Kollegen berichten nun über ein 2D-Skyrmion, das genau diesen Anforderungen gerecht zu werden scheint. Das von ihnen beobachtete THE bleibt nicht nur über ein Temperaturfenster von drei Größenordnungen robust, es ist auch sehr groß und misst 5.4 µΩ·cm bei 10 K und 0.15 µΩ·cm bei 300 K. Das liegt zwischen einer und drei Größenordnungen Größenordnung größer als zuvor berichtete 2D-Skyrmionsysteme bei Raumtemperatur. Und das ist noch nicht alles: Die Forscher fanden heraus, dass ihr 2D-Skyrmion THE mit einer niedrigen kritischen Stromdichte von nur etwa 6.2×10 gesteuert werden kann⁵ A·cm^-2. Die Forscher sagen, dass dies aufgrund der von ihnen hergestellten hochwertigen Proben (die einen fein kontrollierbaren 2D-Ferromagnetismus aufweisen) sowie ihrer präzisen quantitativen Analysen der elektrischen THE-Messungen möglich war.

Chang glaubt, dass die Arbeit des Teams den Weg für elektrisch gesteuerte 2D-THE bei Raumtemperatur und praktische spintronische und magnetoelektronische Geräte auf Skyrmionbasis ebnet. „Die elektrische Erkennung und Manipulation von Skyrmionen bei Raumtemperatur durch den topologischen Hall-Effekt sind vielversprechend für spintronische Geräte der nächsten Generation mit geringem Stromverbrauch“, sagt er.

Woher der Effekt kommt

Das Team untersuchte auch mögliche Gründe für das von ihnen beobachtete robuste riesige 2D-Skyrmion THE. Basierend auf ihren theoretischen Berechnungen fanden sie heraus, dass die natürliche Oxidation des Fe₃Tor_2-𝑥 Der von ihnen untersuchte ferromagnetische Kristall verstärkte einen bekannten Skyrmion-stabilisierenden magnetischen Effekt, der als 2D-Grenzflächen-Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung (DMI) bezeichnet wird. Daher durch sorgfältige Kontrolle der natürlichen Oxidation und Dicke des Fe₃Tor_2-𝑥 Im Kristall bildeten sie eine zuverlässige Oxidationsgrenzfläche mit einem beträchtlichen Grenzflächen-DMI und zeigten, dass sie in der Lage waren, innerhalb eines weiten Temperaturfensters ein robustes 2D-Skyrmion THE zu erzeugen. Dies ist keine leichte Aufgabe, da eine übermäßige Oxidation zu einer Verschlechterung der Kristallstruktur führen kann, während eine unzureichende Oxidation die Bildung eines großen Grenzflächen-DMI erschwert. Beide Extreme behindern tendenziell die Bildung von Skyrmionen und damit das THE.

Schwache elektrische Ströme verfolgen winzige magnetische Skyrmionen

„Unsere Gruppe untersucht seit 2 den Magnetismus in 2014D-Kristallen und wir haben viele neue magnetische Kristalle entwickelt, darunter auch den in dieser Arbeit untersuchten“, sagt Chang. „Sowohl Skyrmionen als auch der topologische Hall-Effekt sind sehr interessante topologische physikalische Phänomene, die typischerweise in einigen magnetischen Systemen beobachtet werden, für praktische Anwendungen jedoch viele intrinsische Einschränkungen aufweisen.

„Wir haben diese Studie durchgeführt, um zu versuchen, diese Einschränkungen bei herkömmlichen magnetischen Materialien zu überwinden.“

Die Forscher sagen ihre Arbeit, die detailliert beschrieben wird Chinesische Physikbriefekönnte zu einer allgemeinen Methode zur Abstimmung von 2D-DMI für die Spintransportkontrolle in 2D-ferromagnetischen Kristallen führen. „Es beweist auch, dass Oxidation genutzt werden kann, um ein riesiges 2D-THE zu induzieren, viel besser als Schwermetalle und andere sogenannte starke Spin-Bahn-Kopplungsverbindungen, die traditionell verwendet werden“, sagt Chang.

Das Huazhong-Team untersucht nun die Herstellung von Rennstreckenspeichern und Logikgattergeräten auf Basis ihrer 2D-Skyrmion-Systeme für Hochgeschwindigkeits- und Datenspeicherung mit hoher Dichte, Logikoperationen und das, was die Forscher als „Quantenberechnung eines neuen Konzepts“ bezeichnen.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/