Jättiläinen skyrmion-topologinen Hall-ilmiö näkyy kaksiulotteisessa ferromagneettisessa kiteessä huoneenlämpötilassa – Physics World

Kiinalaiset tutkijat ovat tuottaneet ilmiön, joka tunnetaan nimellä jättiläismäinen skyrmion-topologinen Hall-ilmiö kaksiulotteisessa materiaalissa, joka käyttää vain pientä määrää virtaa manipuloimaan siitä vastuussa olevia skyrmioneja. Havainto, jonka Hubein tiede- ja teknologiayliopiston Huazhongin tutkimusryhmä havaitsi vuonna 2022 löydetyssä ferromagneettisessa kiteessä, johtuu elektronisesta spin-vuorovaikutuksesta, jonka tiedetään stabiloivan skyrmioneja. Koska vaikutus oli ilmeinen laajalla lämpötila-alueella, mukaan lukien huoneen lämpötila, se voisi osoittautua hyödylliseksi kehitettäessä kaksiulotteisia topologisia ja spintronisia laitteita, kuten kilparatamuistia, logiikkaportteja ja spin-nanooskillaattoria.

Skyrmionit ovat kvasihiukkasia, joilla on pyörremäinen rakenne, ja niitä on monissa materiaaleissa, erityisesti magneettisissa ohuissa kalvoissa ja monikerroksisissa kerroksissa. Ne kestävät ulkoisia häiriöitä ja ovat vain kymmeniä nanometrejä halkaisijaltaan paljon pienempiä kuin nykypäivän kiintolevyjen datan koodaamiseen käytettävät magneettialueet. Tämä tekee niistä ihanteellisia rakennuspalikoita tuleville tiedontallennustekniikoille, kuten "kilparata"-muisteille.

Skyrmionit voidaan yleensä tunnistaa materiaalista havaitsemalla epätavallisia piirteitä (esimerkiksi epänormaali resistanssi) Hall-ilmiössä, joka tapahtuu, kun elektronit virtaavat johtimen läpi käytetyn magneettikentän läsnä ollessa. Magneettikenttä kohdistaa elektroneihin sivusuuntaisen voiman, mikä johtaa johtimessa kentän voimakkuuteen verrannolliseen jännite-eroon. Jos johtimessa on sisäinen magneettikenttä tai magneettinen spin-tekstuuri, kuten skyrmionilla, tämä vaikuttaa myös elektroneihin. Näissä olosuhteissa Hall-ilmiö tunnetaan skyrmion-topologisena Hall-efektinä (THE).

Jotta kvasihiukkaset olisivat käyttökelpoisia kaksiulotteisten (2D) spintronisten laitteiden alustana, suuri THE on erittäin toivottava, mutta skyrmionien on myös oltava stabiileja laajalla lämpötila-alueella ja helppo käsitellä pienillä sähkövirroilla. Tähän asti skyrmioiden tekeminen kaikilla näillä ominaisuuksilla on ollut vaikeaa, tiiminvetäjä sanoo Haixin Chang.

"Useimmat tunnetut skyrmionit ja THE stabiloituvat vain kapeassa lämpötilaikkunassa joko huoneenlämpötilan ala- tai yläpuolelle ja vaativat suurta kriittistä virtakäsittelyä", hän kertoo. Fysiikan maailma. "On edelleen vaikea saavuttaa ja erittäin haastavaa saavuttaa suuri THE, jossa on sekä laaja lämpötilaikkuna huoneenlämpötilaan asti että pieni kriittinen virta skyrmion-manipulaatiolle, erityisesti 2D-järjestelmissä, jotka soveltuvat elektronisiin ja spintronisiin integraatioihin."

Vankka 2D skyrmion THE

Chang ja kollegat raportoivat nyt 2D-skyrmionista, joka näyttää sopivan laskuun. Sen lisäksi, että heidän havaitsemansa THE pysyy kestävänä kolmen suuruusluokan lämpötilaikkunassa, se on myös erittäin suuri, mitaten 5.4 µΩ·cm 10 K:ssa ja 0.15 µΩ·cm 300 K:ssa. Tämä on yhdestä kolmeen kertaluokkaa suuruusluokkaa suurempi kuin aiemmin raportoidut huoneenlämpöiset 2D skyrmion -järjestelmät. Eikä siinä vielä kaikki: tutkijat havaitsivat, että heidän 2D skyrmion THE -laitettaan voidaan ohjata alhaisella kriittisellä virrantiheydellä, vain noin 6.2 × 10⁵ A·cm^-2. Tutkijat sanovat, että tämä oli mahdollista heidän valmistamiensa korkealaatuisten näytteiden (joissa on hienosäädettävä 2D-ferromagnetismi) sekä heidän tarkan kvantitatiivisen analyysinsä ansiosta THE-sähkömittauksista.

Chang uskoo, että tiimin työ tasoittaa tietä huoneenlämmössä sähköisesti ohjatuille 2D THE:lle ja skyrmion-pohjaisille käytännöllisille spintroni- ja magnetoelektronisille laitteille. "Huonelämpötilan sähköinen havaitseminen ja skyrmionien manipulointi topologisen Hall-ilmiön avulla ovat lupaavia seuraavan sukupolven pienitehoisille spintronilaitteille", hän sanoo.

Mistä vaikutus tulee

Tiimi pohti myös mahdollisia syitä havaitsemaansa vahvalle jättiläismäiselle 2D skyrmion THE:lle. Teoreettisten laskelmiensa perusteella he havaitsivat, että Fe:n luonnollinen hapettuminen₃Portti_2-𝑥 Heidän tutkimansa ferromagneettinen kide vahvisti tunnettua skyrmion-stabiloivaa magneettista vaikutusta, jota kutsutaan 2D-rajapinnan Dzyaloshinskii–Moriya-vuorovaikutukseksi (DMI). Näin ollen säätelemällä huolellisesti Fe:n luonnollista hapettumista ja paksuutta₃Portti_2-𝑥 Crystal, he muodostivat luotettavan hapetusrajapinnan, jossa oli suuri rajapinnan DMI, ja osoittivat, että he pystyivät tuottamaan vankan 2D skyrmion THE:n laajassa lämpötilaikkunassa. Tämä ei ole helppo tehtävä, koska liiallinen hapettuminen voi aiheuttaa kiteen rakenteen hajoamisen, kun taas riittämätön hapettuminen vaikeuttaa suuren rajapinnan DMI:n muodostamista. Molemmat ääripäät pyrkivät estämään skyrmionien muodostumista ja siten THE:n.

Heikot sähkövirrat seuraavat pieniä magneettisia lisäyksiä

"Ryhmämme on tutkinut magnetismia 2D-kiteissä vuodesta 2014 ja olemme kehittäneet monia uusia magneettikiteitä, mukaan lukien tässä työssä tutkittu", Chang sanoo. ”Sekä skyrmionit että topologinen Hall-ilmiö ovat erittäin mielenkiintoisia topologisia fysikaalisia ilmiöitä, joita tyypillisesti havaitaan joissakin magneettisysteemeissä, mutta joilla on paljon sisäisiä rajoituksia käytännön sovelluksiin.

"Teimme tämän tutkimuksen yrittääksemme voittaa nämä perinteisten magneettisten materiaalien rajoitukset."

Tutkijat kertovat työnsä, joka on kuvattu yksityiskohtaisesti Kiinan fysiikan kirjeet, voisi johtaa yleiseen metodologiaan 2D DMI:n virittämiseksi spin-kuljetuksen ohjaamiseksi 2D-ferromagneettisissa kiteissä. "Se osoittaa myös, että hapettumista voidaan käyttää jättiläismäisen 2D THE:n indusoimiseen paljon paremmin kuin raskasmetalli ja muut perinteisesti käytetyt niin sanotut vahvat spin-kiertoratakytkentäyhdisteet", Chang sanoo.

Huazhongin joukkue tutkii nyt kilparatamuisteja ja logiikkaporttilaitteita, jotka perustuvat heidän 2D skyrmion -järjestelmiinsä nopeaan ja tiheään tiedontallennukseen, loogiseen toimintaan ja siihen, mitä tutkijat kutsuvat "uuden konseptin kvanttilaskentaan".

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/