El efecto Hall topológico del Skyrmion gigante aparece en un cristal ferromagnético bidimensional a temperatura ambiente – Física Mundial

Investigadores en China han producido un fenómeno conocido como efecto Hall topológico del skyrmion gigante en un material bidimensional utilizando sólo una pequeña cantidad de corriente para manipular los skyrmions responsables de ello. El hallazgo, que un equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong en Hubei observó en un cristal ferromagnético descubierto en 2022, se produce gracias a una interacción de espín electrónico que se sabe que estabiliza los skyrmions. Dado que el efecto era evidente en un amplio rango de temperaturas, incluida la temperatura ambiente, podría resultar útil para desarrollar dispositivos topológicos y espintrónicos bidimensionales, como memorias de pista, puertas lógicas y nanoosciladores de espín.

Los Skyrmions son cuasipartículas con una estructura similar a un vórtice y existen en muchos materiales, en particular películas delgadas magnéticas y multicapas. Son resistentes a las perturbaciones externas y, con sólo decenas de nanómetros de diámetro, son mucho más pequeños que los dominios magnéticos utilizados para codificar datos en los discos duros actuales. Eso los convierte en componentes ideales para futuras tecnologías de almacenamiento de datos, como las memorias de “pista de carreras”.

Los Skyrmions generalmente se pueden identificar en un material detectando características inusuales (por ejemplo, resistividad anormal) en el efecto Hall, que ocurre cuando los electrones fluyen a través de un conductor en presencia de un campo magnético aplicado. El campo magnético ejerce una fuerza lateral sobre los electrones, lo que genera una diferencia de voltaje en el conductor que es proporcional a la intensidad del campo. Si el conductor tiene un campo magnético interno o una textura de espín magnético, como lo tiene un skyrmion, esto también afecta a los electrones. En estas circunstancias, el efecto Hall se conoce como efecto Hall topológico de Skyrmion (THE).

Para que las cuasipartículas sean útiles como plataformas para dispositivos espintrónicos bidimensionales (2D), es muy deseable un THE grande, pero los skyrmions también deben ser estables en un amplio rango de temperaturas y fáciles de manipular utilizando pequeñas corrientes eléctricas. Hasta ahora, hacer skyrmions con todas estas propiedades ha sido difícil, dice el líder del equipo haixin chang.

"La mayoría de los skyrmions conocidos y THE se estabilizan sólo en una estrecha ventana de temperatura, ya sea por debajo o por encima de la temperatura ambiente y requieren una manipulación de corriente crítica alta", dice. Mundo de la física. "Aún es difícil de alcanzar y muy desafiante lograr un THE grande con una amplia ventana de temperatura hasta temperatura ambiente y una corriente crítica baja para la manipulación de skyrmion, especialmente en sistemas 2D adecuados para integraciones electrónicas y espintrónicas".

Robusto skyrmion 2D EL

Chang y sus colegas ahora informan sobre un skyrmion 2D que parece cumplir con los requisitos. El THE que observan no sólo permanece robusto en una ventana de temperatura que abarca tres órdenes de magnitud, sino que también es muy grande, midiendo 5.4 µΩ·cm a 10 K y 0.15 µΩ·cm a 300 K. Esto es entre uno y tres órdenes de magnitud. magnitud mayor que los sistemas skyrmion 2D a temperatura ambiente informados anteriormente. Y eso no es todo: los investigadores descubrieron que su skyrmion 2D THE se puede controlar con una densidad de corriente crítica baja de alrededor de solo 6.2×10⁵ A·cm^-2. Los investigadores dicen que esto fue posible gracias a las muestras de alta calidad que fabricaron (que tienen un ferromagnetismo 2D finamente controlable), además de sus análisis cuantitativos precisos de las mediciones eléctricas de THE.

Chang cree que el trabajo del equipo allana el camino para dispositivos prácticos espintrónicos y magnetoelectrónicos 2D THE controlados eléctricamente a temperatura ambiente y basados ​​en skyrmion. "La detección eléctrica a temperatura ambiente y la manipulación de skyrmions mediante el efecto Hall topológico son prometedoras para los dispositivos espintrónicos de baja potencia de próxima generación", afirma.

De dónde viene el efecto

El equipo también profundizó en las posibles razones del robusto skyrmion gigante 2D THE que observaron. Basándose en sus cálculos teóricos, descubrieron que la oxidación natural del Fe₃Portón_2-𝑥 El cristal ferromagnético que estudiaron mejoró un conocido efecto magnético estabilizador del skyrmion llamado interacción interfacial 2D Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). Por lo tanto, al controlar cuidadosamente la oxidación natural y el espesor del Fe₃Portón_2-𝑥 cristal, formaron una interfaz de oxidación confiable con un DMI interfacial considerable y demostraron que eran capaces de producir un skyrmion THE 2D robusto dentro de una amplia ventana de temperatura. Esta no es una tarea fácil porque una oxidación excesiva puede hacer que la estructura del cristal se degrade, mientras que una oxidación insuficiente dificulta la formación de un DMI interfacial grande. Ambos extremos tienden a dificultar la formación de skyrmions y, por tanto, de THE.

Corrientes eléctricas débiles rastrean diminutos skyrmions magnéticos

"Nuestro grupo ha estado estudiando el magnetismo en cristales 2D desde 2014 y hemos desarrollado muchos cristales magnéticos nuevos, incluido el estudiado en este trabajo", dice Chang. “Tanto los skyrmions como el efecto Hall topológico son fenómenos físicos topológicos muy interesantes que normalmente se observan en algunos sistemas magnéticos, pero que tienen muchas limitaciones intrínsecas para aplicaciones prácticas.

"Realizamos este estudio para intentar superar estas limitaciones en los materiales magnéticos tradicionales".

Los investigadores dicen que su trabajo, que se detalla en Letras de física chinas, podría conducir a una metodología general para ajustar DMI 2D para el control del transporte de espín en cristales ferromagnéticos 2D. "También demuestra que la oxidación se puede utilizar para inducir un 2D gigante mucho mejor que el metal pesado y otros compuestos de acoplamiento de órbita de espín fuerte empleados tradicionalmente", dice Chang.

El equipo de Huazhong Ahora está estudiando la posibilidad de crear memorias de carreras y dispositivos de puertas lógicas basados ​​en sus sistemas Skyrmion 2D para el almacenamiento de datos de alta velocidad y alta densidad, operación lógica y lo que los investigadores llaman “computación cuántica de nuevo concepto”.

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