L’effet Hall topologique d’un skyrmion géant apparaît dans un cristal ferromagnétique bidimensionnel à température ambiante – Physics World

Des chercheurs chinois ont produit un phénomène connu sous le nom d’effet Hall topologique des skyrmions géants dans un matériau bidimensionnel en utilisant seulement une petite quantité de courant pour manipuler les skyrmions qui en sont responsables. La découverte, qu’une équipe de l’Université des sciences et technologies de Huazhong au Hubei a observée dans un cristal ferromagnétique découvert en 2022, est due à une interaction de spin électronique connue pour stabiliser les skyrmions. Étant donné que l’effet était apparent dans une large plage de températures, y compris la température ambiante, il pourrait s’avérer utile pour développer des dispositifs topologiques et spintroniques bidimensionnels tels que des mémoires de piste de course, des portes logiques et des nano-oscillateurs de spin.

Les skyrmions sont des quasiparticules avec une structure de type vortex et existent dans de nombreux matériaux, notamment des films minces magnétiques et des multicouches. Ils sont robustes aux perturbations externes et, avec seulement quelques dizaines de nanomètres de diamètre, ils sont beaucoup plus petits que les domaines magnétiques utilisés pour coder les données sur les disques durs actuels. Cela en fait des éléments de base idéaux pour les futures technologies de stockage de données telles que les mémoires « hippodrome ».

Les skyrmions peuvent généralement être identifiés dans un matériau en repérant des caractéristiques inhabituelles (par exemple, une résistivité anormale) dans l'effet Hall, qui se produit lorsque des électrons traversent un conducteur en présence d'un champ magnétique appliqué. Le champ magnétique exerce une force latérale sur les électrons, entraînant une différence de tension dans le conducteur proportionnelle à l’intensité du champ. Si le conducteur a un champ magnétique interne ou une texture de spin magnétique, comme le fait un skyrmion, cela affecte également les électrons. Dans ces circonstances, l’effet Hall est connu sous le nom d’effet Hall topologique skyrmion (THE).

Pour que les quasiparticules soient utiles comme plates-formes pour les dispositifs spintroniques bidimensionnels (2D), un grand THE est hautement souhaitable, mais les skyrmions doivent également être stables sur une large plage de températures et faciles à manipuler à l'aide de petits courants électriques. Jusqu'à présent, fabriquer des skyrmions avec toutes ces propriétés était difficile, explique le chef d'équipe Haixin Chang.

"La plupart des skyrmions connus et le THE sont stabilisés uniquement dans une fenêtre de température étroite, inférieure ou supérieure à la température ambiante et nécessitent une manipulation de courant critique élevé", explique-t-il. Monde de la physique. "Il est encore difficile et très difficile d'obtenir un grand THE avec à la fois une large fenêtre de température allant jusqu'à la température ambiante et un faible courant critique pour la manipulation du skyrmion, en particulier dans les systèmes 2D adaptés aux intégrations électroniques et spintroniques."

Skyrmion 2D robuste LE

Chang et ses collègues rapportent maintenant un skyrmion 2D qui semble convenir. Non seulement le THE qu'ils observent reste robuste sur une fenêtre de température s'étendant sur trois ordres de grandeur, mais il est également très grand, mesurant 5.4 µΩ·cm à 10 K et 0.15 µΩ·cm à 300 K. Cela représente entre un et trois ordres de grandeur. magnitude plus grande que les systèmes skyrmion 2D à température ambiante précédemment rapportés. Et ce n'est pas tout : les chercheurs ont découvert que leur skyrmion THE 2D peut être contrôlé avec une faible densité de courant critique d'environ 6.2 × 10 seulement.⁵ A·cm^-2. Les chercheurs affirment que cela a été possible grâce aux échantillons de haute qualité qu’ils ont fabriqués (qui présentent un ferromagnétisme 2D finement contrôlable), ainsi qu’à leurs analyses quantitatives précises des mesures électriques THE.

Chang pense que le travail de l'équipe ouvre la voie à des dispositifs spintroniques et magnétoélectroniques pratiques à température ambiante, à commande électrique et basés sur skyrmion. "La détection électrique à température ambiante et la manipulation des skyrmions par effet Hall topologique sont prometteuses pour les dispositifs spintroniques de nouvelle génération à faible consommation", dit-il.

D'où vient l'effet

L’équipe a également étudié les raisons possibles du robuste skyrmion géant 2D THE qu’elle a observé. Sur la base de leurs calculs théoriques, ils ont découvert que l'oxydation naturelle du Fe₃Porte_2-𝑥 Le cristal ferromagnétique qu'ils ont étudié a amélioré un effet magnétique connu de stabilisation du skyrmion appelé interaction interfaciale 2D Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). Par conséquent, en contrôlant soigneusement l’oxydation naturelle et l’épaisseur du Fe₃Porte_2-𝑥 cristal, ils ont formé une interface d’oxydation fiable avec un DMI interfacial important et ont montré qu’ils étaient capables de produire un skyrmion THE 2D robuste dans une large fenêtre de température. Ce n’est pas une tâche facile car une oxydation excessive peut entraîner une dégradation de la structure du cristal, tandis qu’une oxydation insuffisante rend difficile la formation d’un grand DMI interfacial. Les deux extrêmes ont tendance à entraver la formation des skyrmions et donc du THE.

De faibles courants électriques traquent de minuscules skyrmions magnétiques

"Notre groupe étudie le magnétisme dans les cristaux 2D depuis 2014 et nous avons développé de nombreux nouveaux cristaux magnétiques, dont celui étudié dans ce travail", explique Chang. « Les skyrmions et l’effet Hall topologique sont des phénomènes physiques topologiques très intéressants qui sont généralement observés dans certains systèmes magnétiques, mais qui présentent de nombreuses limitations intrinsèques pour les applications pratiques.

"Nous avons mené cette étude pour tenter de surmonter ces limitations des matériaux magnétiques traditionnels."

Les chercheurs affirment que leurs travaux, détaillés dans Lettres de physique chinoise, pourrait conduire à une méthodologie générale pour régler le DMI 2D pour le contrôle du transport de spin dans les cristaux ferromagnétiques 2D. "Cela prouve également que l'oxydation peut être utilisée pour induire une 2D géante, bien meilleure que les métaux lourds et d'autres composés de couplage spin-orbite dits forts traditionnellement utilisés", explique Chang.

L'équipe Huazhong étudie actuellement la création de mémoires de circuit et de dispositifs à portes logiques basés sur leurs systèmes skyrmion 2D pour le stockage de données à haute vitesse et haute densité, le fonctionnement logique et ce que les chercheurs appellent « un nouveau concept de calcul quantique ».

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