Το γιγάντιο τοπολογικό φαινόμενο Hall skyrmion εμφανίζεται σε έναν δισδιάστατο σιδηρομαγνητικό κρύσταλλο σε θερμοκρασία δωματίου - Physics World

Ερευνητές στην Κίνα έχουν δημιουργήσει ένα φαινόμενο γνωστό ως γιγάντιο τοπολογικό φαινόμενο Hall skyrmion σε ένα δισδιάστατο υλικό χρησιμοποιώντας μόνο μια μικρή ποσότητα ρεύματος για να χειριστεί τα σκυρμιόνια που είναι υπεύθυνα για αυτό. Το εύρημα, το οποίο παρατήρησε μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Huazhong στο Hubei σε έναν σιδηρομαγνητικό κρύσταλλο που ανακαλύφθηκε το 2022, προκύπτει χάρη σε μια ηλεκτρονική αλληλεπίδραση περιστροφής που είναι γνωστό ότι σταθεροποιεί τα σκυρμιόνια. Δεδομένου ότι το αποτέλεσμα ήταν εμφανές σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, συμπεριλαμβανομένης της θερμοκρασίας δωματίου, θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμο για την ανάπτυξη δισδιάστατων τοπολογικών και σπιντρονικών συσκευών όπως η μνήμη ιπποδρομιών, οι λογικές πύλες και οι νανοταλαντωτές περιστροφής.

Τα Skyrmions είναι οιονεί σωματίδια με δομή που μοιάζει με δίνη και υπάρχουν σε πολλά υλικά, κυρίως μαγνητικά λεπτά φιλμ και πολυστρωματικά στρώματα. Είναι ανθεκτικά σε εξωτερικές διαταραχές και με μόλις δεκάδες νανόμετρα πλάτος, είναι πολύ μικρότερα από τα μαγνητικά πεδία που χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση δεδομένων στους σημερινούς σκληρούς δίσκους. Αυτό τα καθιστά ιδανικά δομικά στοιχεία για μελλοντικές τεχνολογίες αποθήκευσης δεδομένων, όπως μνήμες «ιππόδρομου».

Τα Skyrmions μπορούν γενικά να αναγνωριστούν σε ένα υλικό με τον εντοπισμό ασυνήθιστων χαρακτηριστικών (για παράδειγμα, μη φυσιολογική ειδική αντίσταση) στο φαινόμενο Hall, το οποίο συμβαίνει όταν τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσω ενός αγωγού παρουσία ενός εφαρμοσμένου μαγνητικού πεδίου. Το μαγνητικό πεδίο ασκεί μια πλάγια δύναμη στα ηλεκτρόνια, οδηγώντας σε μια διαφορά τάσης στον αγωγό που είναι ανάλογη με την ισχύ του πεδίου. Εάν ο αγωγός έχει εσωτερικό μαγνητικό πεδίο ή μαγνητική υφή σπιν, όπως έχει ένα σκυρμιόνιο, αυτό επηρεάζει επίσης τα ηλεκτρόνια. Σε αυτές τις συνθήκες, το φαινόμενο Hall είναι γνωστό ως το τοπολογικό φαινόμενο Hall σκυρμιονίου (THE).

Για να είναι χρήσιμα τα οιονεί σωματίδια ως πλατφόρμες για δισδιάστατες (2D) σπιντρονικές συσκευές, ένα μεγάλο THE είναι πολύ επιθυμητό, ​​αλλά τα skyrmions πρέπει επίσης να είναι σταθερά σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και εύκολο να χειριστούν χρησιμοποιώντας μικρά ηλεκτρικά ρεύματα. Μέχρι τώρα, η κατασκευή σκυρμιονίων με όλες αυτές τις ιδιότητες ήταν δύσκολη, λέει ο αρχηγός της ομάδας Haixin Chang.

«Τα περισσότερα γνωστά skyrmions και το THE σταθεροποιούνται μόνο σε ένα στενό παράθυρο θερμοκρασίας είτε κάτω είτε πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου και απαιτούν υψηλό κρίσιμο ρεύμα χειρισμού», λέει. Κόσμος Φυσικής. «Είναι ακόμα άπιαστο και πολύ δύσκολο να επιτύχουμε ένα μεγάλο THE με ευρύ παράθυρο θερμοκρασίας μέχρι θερμοκρασία δωματίου και χαμηλό κρίσιμο ρεύμα για χειρισμό skyrmion, ειδικά σε συστήματα 2D κατάλληλα για ηλεκτρονικές και σπιντρονικές ενσωματώσεις».

Στιβαρό 2D skyrmion THE

Ο Chang και οι συνεργάτες του αναφέρουν τώρα ένα 2D skyrmion που φαίνεται να ταιριάζει στο λογαριασμό. Όχι μόνο το THE που παρατηρούν παραμένει ανθεκτικό σε ένα παράθυρο θερμοκρασίας που εκτείνεται σε τρεις τάξεις μεγέθους, αλλά είναι επίσης πολύ μεγάλο, με μέγεθος 5.4 μΩ·cm στους 10 K και 0.15 μΩ· cm στους 300 K. Αυτό είναι μεταξύ μίας και τριών τάξεων μέγεθος μεγαλύτερο από τα προηγουμένως αναφερθέντα συστήματα δισδιάστατων skyrmion σε θερμοκρασία δωματίου. Και δεν είναι μόνο αυτό: οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι το 2D skyrmion τους THE μπορεί να ελεγχθεί με χαμηλή κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος περίπου μόλις 2×6.2⁵ A·cm^-2. Οι ερευνητές λένε ότι αυτό ήταν δυνατό λόγω των δειγμάτων υψηλής ποιότητας που κατασκεύασαν (τα οποία έχουν έναν εξαιρετικά ελεγχόμενο δισδιάστατο σιδηρομαγνητισμό), καθώς και τις ακριβείς ποσοτικές αναλύσεις των ηλεκτρικών μετρήσεων THE.

Ο Chang πιστεύει ότι η εργασία της ομάδας ανοίγει το δρόμο για ηλεκτρικά ελεγχόμενες σε θερμοκρασία δωματίου 2D THE και πρακτικές σπιντρονικές και μαγνητοηλεκτρονικές συσκευές που βασίζονται σε skyrmion. «Η ηλεκτρική ανίχνευση σε θερμοκρασία δωματίου και ο χειρισμός των skyrmions από το τοπολογικό φαινόμενο Hall είναι πολλά υποσχόμενα για συσκευές σπιντρονικών χαμηλής κατανάλωσης επόμενης γενιάς», λέει.

Από πού προέρχεται το αποτέλεσμα

Η ομάδα εξέτασε επίσης πιθανούς λόγους για το στιβαρό γιγάντιο 2D skyrmion THE που παρατήρησε. Με βάση τους θεωρητικούς υπολογισμούς τους, διαπίστωσαν ότι η φυσική οξείδωση του Fe₃Πύλη_2-𝑥 Ο σιδηρομαγνητικός κρύσταλλος που μελέτησαν ενίσχυσε ένα γνωστό μαγνητικό αποτέλεσμα σταθεροποίησης του σκυρμιονίου που ονομάζεται 2D διεπιφανειακή αλληλεπίδραση Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). Ως εκ τούτου, ελέγχοντας προσεκτικά τη φυσική οξείδωση και το πάχος του Fe₃Πύλη_2-𝑥 κρύσταλλο, σχημάτισαν μια αξιόπιστη διεπαφή οξείδωσης με ένα μεγάλο DMI διεπαφής και έδειξαν ότι ήταν σε θέση να παράγουν ένα ισχυρό δισδιάστατο skyrmion THE μέσα σε ένα ευρύ παράθυρο θερμοκρασίας. Αυτό δεν είναι εύκολο έργο γιατί η υπερβολική οξείδωση μπορεί να προκαλέσει την υποβάθμιση της δομής του κρυστάλλου, ενώ η ανεπαρκής οξείδωση καθιστά δύσκολο τον σχηματισμό ενός μεγάλου DMI διεπιφανείας. Και τα δύο άκρα τείνουν να εμποδίζουν το σχηματισμό σκυρμιονίων και επομένως το THE.

Ασθενή ηλεκτρικά ρεύματα παρακολουθούν μικροσκοπικά μαγνητικά σκυρμιόνια

«Η ομάδα μας μελετά τον μαγνητισμό σε 2D κρυστάλλους από το 2014 και έχουμε αναπτύξει πολλούς νέους μαγνητικούς κρυστάλλους, συμπεριλαμβανομένου αυτού που μελετήθηκε σε αυτήν την εργασία», λέει ο Chang. «Τόσο τα σκυρμιόνια όσο και το τοπολογικό φαινόμενο Hall είναι πολύ ενδιαφέροντα τοπολογικά φυσικά φαινόμενα που παρατηρούνται τυπικά σε ορισμένα μαγνητικά συστήματα, αλλά έχουν πολλούς εγγενείς περιορισμούς για πρακτικές εφαρμογές.

«Διεξάγαμε αυτή τη μελέτη για να προσπαθήσουμε να ξεπεράσουμε αυτούς τους περιορισμούς στα παραδοσιακά μαγνητικά υλικά».

Οι ερευνητές λένε τη δουλειά τους, η οποία περιγράφεται λεπτομερώς στο Κινεζικά γράμματα φυσικής, θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια γενική μεθοδολογία για τον συντονισμό 2D DMI για τον έλεγχο της μεταφοράς σπιν σε 2D σιδηρομαγνητικούς κρυστάλλους. «Αποδεικνύει επίσης ότι η οξείδωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προκαλέσει ένα γιγάντιο 2D THE πολύ καλύτερο από το βαρύ μέταλλο και άλλες λεγόμενες ισχυρές ενώσεις σύζευξης περιστροφικής τροχιάς που χρησιμοποιούνται παραδοσιακά», λέει ο Chang.

Η ομάδα Huazhong εξετάζει τώρα τη δημιουργία αναμνήσεων ιπποδρομιών και συσκευών λογικής πύλης με βάση τα δισδιάστατα συστήματα skyrmion τους για αποθήκευση δεδομένων υψηλής ταχύτητας και υψηλής πυκνότητας, λογική λειτουργία και αυτό που οι ερευνητές αποκαλούν «νέα έννοια κβαντικού υπολογισμού».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/