اثر هال توپولوژیکی غول پیکر اسکایرمیون در یک کریستال فرومغناطیسی دو بعدی در دمای اتاق ظاهر می شود - دنیای فیزیک

اثر هال توپولوژیکی غول پیکر اسکایرمیون در یک کریستال فرومغناطیسی دو بعدی در دمای اتاق ظاهر می شود - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 15 دسامبر 2023، 12:00 بعد از ظهر

نمودارهای توپ و چوب کریستال Fe3GaTe2-x و نمودار یک اسکایرمیون گرداب مانند
اسکایرمیون‌های پایدار: محاسبات اصول اولیه برهم‌کنش Dzyaloshinskii-Moriya تثبیت‌کننده اسکایرمیون در آهن بکر (پایین) و اکسید شده (بالا)3دروازه2-X تیم را قادر ساخت تا درک کند که چرا اسکایرمیون هایی که (راست) تشکیل می شوند تا این حد قوی هستند. (با احترام: H Chang)

محققان چینی پدیده ای به نام اثر هال توپولوژیکی غول پیکر اسکایرمیون را در یک ماده دو بعدی با استفاده از مقدار کمی جریان برای دستکاری اسکایرمیون های مسئول آن تولید کردند. این یافته که تیمی از دانشگاه علم و فناوری Huazhong در هوبی در یک کریستال فرومغناطیسی کشف شده در سال 2022 مشاهده کردند، به لطف یک تعامل چرخشی الکترونیکی به دست آمده است که به تثبیت اسکایریمیون ها معروف است. از آنجایی که این اثر در طیف وسیعی از دماها، از جمله دمای اتاق آشکار بود، می‌تواند برای توسعه دستگاه‌های توپولوژیکی و اسپینترونیک دو بعدی مانند حافظه مسیر مسابقه، گیت‌های منطقی و نانواسیلاتورهای چرخشی مفید باشد.

اسکایرمیون ها شبه ذرات با ساختاری گرداب مانند هستند و در بسیاری از مواد، به ویژه لایه های نازک مغناطیسی و چند لایه وجود دارند. آنها در برابر اغتشاشات خارجی مقاوم هستند و با عرض تنها ده ها نانومتر، بسیار کوچکتر از حوزه های مغناطیسی هستند که برای رمزگذاری داده ها در دیسک های سخت امروزی استفاده می شوند. این آنها را به بلوک های ساختمانی ایده آل برای فناوری های ذخیره سازی داده های آینده مانند حافظه های "پیست مسابقه" تبدیل می کند.

به طور کلی می توان اسکایرمیون ها را در یک ماده با مشاهده ویژگی های غیرعادی (مثلاً مقاومت غیرعادی) در اثر هال شناسایی کرد، که زمانی رخ می دهد که الکترون ها در حضور یک میدان مغناطیسی اعمال شده از یک هادی عبور می کنند. میدان مغناطیسی نیروی جانبی بر الکترون ها وارد می کند که منجر به اختلاف ولتاژ در هادی می شود که متناسب با شدت میدان است. اگر هادی دارای یک میدان مغناطیسی داخلی یا بافت اسپین مغناطیسی باشد، مانند اسکایرمیون، این نیز بر الکترون ها تأثیر می گذارد. در این شرایط، اثر هال به عنوان اثر هال توپولوژیکی skyrmion (THE) شناخته می شود.

برای اینکه شبه ذرات به‌عنوان پلتفرم‌هایی برای دستگاه‌های اسپینترونیک دوبعدی (2 بعدی) مفید باشند، یک THE بزرگ بسیار مطلوب است، اما اسکایرمیون‌ها همچنین باید در محدوده دمایی وسیعی پایدار باشند و به راحتی با استفاده از جریان‌های الکتریکی کوچک دستکاری شوند. رهبر تیم می گوید تا به حال ساخت اسکایرمیون با این همه ویژگی دشوار بوده است هایکسین چانگ.

او می‌گوید: «بیشتر اسکایرمیون‌های شناخته‌شده و THE فقط در یک پنجره دمایی باریک، پایین یا بالاتر از دمای اتاق تثبیت می‌شوند و نیاز به دستکاری جریان بحرانی بالا دارند». دنیای فیزیک. دستیابی به یک THE بزرگ با پنجره دمایی گسترده تا دمای اتاق و جریان بحرانی کم برای دستکاری اسکایرمیون، به ویژه در سیستم‌های دوبعدی مناسب برای ادغام‌های الکترونیکی و اسپینترونیک، هنوز گریزان و بسیار چالش برانگیز است.

اسکایرمیون دو بعدی قوی THE

چانگ و همکارانش در حال حاضر یک اسکایرمیون دوبعدی را گزارش می‌کنند که به نظر می‌رسد با این شرایط مطابقت دارد. THE آنها مشاهده می کنند نه تنها در یک پنجره دمایی با سه مرتبه بزرگی مقاوم می ماند، بلکه بسیار بزرگ است و 2 μΩ·cm در 5.4 K و 10 μΩ·cm در 0.15 K است. این بین یک تا سه مرتبه است. قدر بزرگتر از سیستم های اسکایرمیون دوبعدی دمای اتاق که قبلا گزارش شده بود. و این همه ماجرا نیست: محققان دریافتند که اسکایرمیون دو بعدی THE آنها را می توان با چگالی جریان بحرانی کم حدود 300×2 کنترل کرد.5 A·cm-2. محققان می گویند که این امر به دلیل نمونه های باکیفیت ساخته شده (که فرومغناطیس 2 بعدی کاملاً قابل کنترل دارند)، به علاوه تجزیه و تحلیل کمی دقیق آنها از اندازه گیری های الکتریکی THE امکان پذیر است.

چانگ فکر می‌کند که کار این تیم راه را برای دستگاه‌های عملی اسپینترونیک و مغناطیسی الکترونیکی مبتنی بر اسکایرمیون که با دمای اتاق کنترل می‌شوند، هموار می‌کند. او می‌گوید: «تشخیص الکتریکی دمای اتاق و دستکاری اسکایرمیون‌ها توسط اثر توپولوژیکی هال برای نسل بعدی دستگاه‌های اسپینترونیک کم‌مصرف امیدوارکننده است.

جایی که اثر از آن می آید

این تیم همچنین دلایل احتمالی skyrmion غول پیکر دو بعدی THE را که مشاهده کردند، بررسی کردند. آنها بر اساس محاسبات نظری خود دریافتند که اکسیداسیون طبیعی آهن3دروازه2-𝑥 کریستال فرومغناطیسی که آنها مطالعه کردند، یک اثر مغناطیسی تثبیت کننده اسکایرمیون شناخته شده به نام برهمکنش سطحی دوبعدی Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) را افزایش داد. از این رو، با کنترل دقیق اکسیداسیون طبیعی و ضخامت آهن3دروازه2-𝑥 کریستال، آنها یک رابط اکسیداسیون قابل اعتماد با DMI سطحی قابل توجهی تشکیل دادند و نشان دادند که قادر به تولید یک اسکایرمیون THE دو بعدی قوی در یک پنجره دمایی گسترده هستند. این کار آسانی نیست زیرا اکسیداسیون بیش از حد می تواند باعث تخریب ساختار کریستال شود، در حالی که اکسیداسیون ناکافی تشکیل یک DMI سطحی بزرگ را دشوار می کند. هر دو افراط تمایل دارند از تشکیل skyrmions و در نتیجه THE جلوگیری کنند.

چانگ می‌گوید: «گروه ما از سال 2 در حال مطالعه مغناطیس در کریستال‌های دوبعدی بوده است و ما کریستال‌های مغناطیسی جدیدی از جمله بلورهای مورد مطالعه در این کار ایجاد کرده‌ایم. هم اسکایرمیون ها و هم اثر هال توپولوژیکی، پدیده های فیزیکی توپولوژیکی بسیار جالبی هستند که معمولاً در برخی از سیستم های مغناطیسی مشاهده می شوند، اما محدودیت های ذاتی زیادی برای کاربردهای عملی دارند.

ما این مطالعه را برای غلبه بر این محدودیت ها در مواد مغناطیسی سنتی انجام دادیم.

محققان می گویند کار خود را، که در جزئیات در حروف فیزیک چینی، می تواند به یک روش کلی برای تنظیم DMI دو بعدی برای کنترل انتقال چرخش در کریستال های فرومغناطیسی دو بعدی منجر شود. چانگ می‌گوید: «همچنین ثابت می‌کند که اکسیداسیون می‌تواند برای القای یک THE غول‌پیکر 2D بسیار بهتر از فلزات سنگین و دیگر ترکیبات جفت کننده مدار چرخشی قوی که به‌طور سنتی استفاده می‌شوند، استفاده شود».

تیم هوآژونگ اکنون به دنبال ساخت حافظه‌های مسیر مسابقه و ابزارهای گیت منطقی بر اساس سیستم‌های اسکایرمیون دوبعدی آن‌ها برای ذخیره‌سازی داده‌های پرسرعت و چگالی بالا، عملیات منطقی و آنچه محققان «محاسبات کوانتومی با مفهوم جدید» می‌نامند، است.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک