Topoloogiline Halli hiiglaslik efekt ilmneb kahemõõtmelises ferromagnetilises kristallis toatemperatuuril – Füüsikamaailm

Hiina teadlased on kahemõõtmelises materjalis loonud fenomeni, mida tuntakse hiiglasliku skyrmioni topoloogilise Halli efektina, kasutades selle eest vastutavate skyrmionide manipuleerimiseks vaid väikest kogust voolu. Leid, mida Hubeis asuva Huazhongi teadus- ja tehnoloogiaülikooli meeskond täheldas 2022. aastal avastatud ferromagnetilises kristallis, tuleneb elektroonilisest pöörlemisinteraktsioonist, mis teadaolevalt stabiliseerib skyrmione. Kuna efekt oli ilmne paljudel temperatuurivahemikel, sealhulgas toatemperatuuril, võib see osutuda kasulikuks kahemõõtmeliste topoloogiliste ja spintrooniliste seadmete, näiteks võidusõiduraja mälu, loogiliste väravate ja pöörlevate nanoostsillaatorite väljatöötamisel.

Skyrmionid on keeriselaadse struktuuriga kvaasiosakesed ja neid leidub paljudes materjalides, eriti magnetilistes õhukestes kiledes ja mitmekihilistes kihtides. Need on vastupidavad välistele häiretele ja on vaid kümnete nanomeetrite läbimõõduga palju väiksemad kui tänapäeva kõvaketastel andmete kodeerimiseks kasutatavad magnetdomeenid. See muudab need ideaalseteks ehitusplokkideks tulevaste andmesalvestustehnoloogiate jaoks, nagu näiteks võidusõiduraja mälud.

Skyrmione saab üldiselt materjalis tuvastada, tuvastades Halli efektis ebatavalisi tunnuseid (näiteks ebanormaalset takistust), mis tekib siis, kui elektronid voolavad läbi juhi rakendatud magnetvälja juuresolekul. Magnetväli avaldab elektronidele külgsuunalist jõudu, mis põhjustab juhi pinge erinevust, mis on võrdeline välja tugevusega. Kui juhil on sisemine magnetväli või magnetiline spin-tekstuur, nagu skyrmionil, mõjutab see ka elektrone. Nendel asjaoludel nimetatakse Halli efekti skyrmioni topoloogiliseks Halli efektiks (THE).

Selleks, et kvaasiosakesed oleksid kasulikud kahemõõtmeliste (2D) spintrooniliste seadmete platvormidena, on suur THE väga soovitav, kuid skyrmionid peavad olema stabiilsed ka laias temperatuurivahemikus ja neid on lihtne väikeste elektrivoolude abil manipuleerida. Seni on kõigi nende omadustega skyrmionide valmistamine olnud keeruline, ütleb meeskonna juht Haixin Chang.

"Enamik teadaolevaid skyrmione ja THE stabiliseeritakse ainult kitsas temperatuuriaknas kas toatemperatuurist madalamal või kõrgemal ja vajavad kõrge kriitilise vooluga manipuleerimist, " ütleb ta. Füüsika maailm. "Siiski on raske saavutada suur THE, millel on nii lai temperatuuriaken kuni toatemperatuurini kui ka madal kriitiline vool skyrmioniga manipuleerimiseks, eriti elektroonilisteks ja spintroonilisteks integreerimiseks sobivates 2D-süsteemides."

Tugev 2D skyrmion THE

Chang ja kolleegid teatavad nüüd 2D skyrmionist, mis näib sobivat. Nende vaadeldav THE ei püsi mitte ainult kolme suurusjärku ulatuva temperatuuriakna puhul vastupidav, vaid on ka väga suur, mõõtes 5.4 µΩ·cm temperatuuril 10 K ja 0.15 µΩ·cm temperatuuril 300 K. See on vahemikus üks kuni kolm suurusjärku suurusjärk suurem kui varem teatatud toatemperatuuril 2D skyrmion süsteemid. Ja see pole veel kõik: teadlased leidsid, et nende 2D skyrmion THE-t saab juhtida madala kriitilise voolutihedusega, umbes 6.2 × 10⁵ A·cm^-2. Teadlaste sõnul oli see võimalik tänu nende valmistatud kvaliteetsetele proovidele (millel on täpselt juhitav 2D ferromagnetism) ja nende täpsetele kvantitatiivsetele analüüsidele THE elektriliste mõõtmiste kohta.

Chang arvab, et meeskonna töö sillutab teed toatemperatuuril elektriliselt juhitavatele 2D THE-le ja skyrmionipõhistele praktilistele spintroon- ja magnetoelektroonilistele seadmetele. "Toatemperatuuril elektriline tuvastamine ja skyrmionide manipuleerimine topoloogilise Halli efekti abil on paljulubav järgmise põlvkonna väikese võimsusega spintrooniliste seadmete jaoks, " ütleb ta.

Kust mõju tuleb

Meeskond uuris ka nende täheldatud jõulise hiiglasliku 2D skyrmion THE võimalikke põhjuseid. Oma teoreetiliste arvutuste põhjal leidsid nad, et Fe looduslik oksüdatsioon₃GaTe_2-𝑥 ferromagnetilised kristallid, mida nad uurisid, suurendasid teadaolevat skyrmiooni stabiliseerivat magnetefekti, mida nimetatakse 2D liidese Dzyaloshinskii-Moriya interaktsiooniks (DMI). Seega kontrollides hoolikalt Fe looduslikku oksüdatsiooni ja paksust₃GaTe_2-𝑥 kristallist moodustasid nad usaldusväärse oksüdatsiooniliidese koos märkimisväärse liidese DMI-ga ja näitasid, et nad suutsid toota tugeva 2D skyrmion THE laias temperatuuriaknas. See pole lihtne ülesanne, sest liigne oksüdatsioon võib põhjustada kristalli struktuuri lagunemist, samas kui ebapiisav oksüdatsioon raskendab suure liidese DMI moodustamist. Mõlemad äärmused kipuvad takistama skyrmioonide teket ja seega ka THE.

Nõrgad elektrivoolud jälgivad pisikesi magnetilisi hüppeid

"Meie rühm on uurinud magnetismi 2D-kristallides alates 2014. aastast ja oleme välja töötanud palju uusi magnetkristalle, sealhulgas selles töös uuritu," ütleb Chang. "Nii skyrmions kui ka topoloogiline Halli efekt on väga huvitavad topoloogilised füüsikalised nähtused, mida tavaliselt täheldatakse mõnes magnetsüsteemis, kuid millel on praktiliste rakenduste jaoks palju sisemisi piiranguid.

"Me viisime selle uuringu läbi, et proovida ületada traditsiooniliste magnetmaterjalide piirangud."

Teadlased ütlevad oma tööd, mis on üksikasjalikult kirjeldatud Hiina füüsika kirjad, võib viia üldise metoodikani 2D DMI häälestamiseks 2D ferromagnetiliste kristallide pöörlemistranspordi juhtimiseks. "See tõestab ka, et oksüdatsiooni saab kasutada hiiglasliku 2D THE indutseerimiseks palju paremini kui raskmetalle ja muid traditsiooniliselt kasutatavaid nn tugevaid spin-orbiidi sidestusühendeid," ütleb Chang.

Huazhongi meeskond uurib nüüd võidusõidurajamälude ja loogikavärava seadmete valmistamist, mis põhinevad nende 2D skyrmion-süsteemidel kiireks ja suure tihedusega andmete salvestamiseks, loogiliseks toimimiseks ja seda, mida teadlased nimetavad "uue kontseptsiooni kvantarvutuseks".

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/