Óriás skyrmion topológiai Hall-effektus jelenik meg egy kétdimenziós ferromágneses kristályban szobahőmérsékleten – Physics World

A kínai kutatók az óriási skyrmion topológiai Hall-effektusként ismert jelenséget hozták létre egy kétdimenziós anyagban, amely csak kis mennyiségű áramot használ az ezért felelős skyrmionok manipulálására. A Hubei-i Huazhong Tudományos és Technológiai Egyetem kutatócsoportja egy 2022-ben felfedezett ferromágneses kristályon észlelt felfedezés egy elektronikus spin-kölcsönhatásnak köszönhető, amelyről ismert, hogy stabilizálja a skyrmionokat. Mivel a hatás széles hőmérséklet-tartományban, beleértve a szobahőmérsékletet is, nyilvánvaló volt, hasznosnak bizonyulhat kétdimenziós topológiai és spintronikus eszközök, például versenypálya-memória, logikai kapuk és spin nanooszcillátorok fejlesztésében.

A Skyrmionok örvényszerű szerkezetű kvázi részecskék, és számos anyagban megtalálhatók, nevezetesen mágneses vékony filmekben és többrétegű rétegekben. Robusztusak a külső zavarokkal szemben, és mindössze több tíz nanométer átmérőjűek, sokkal kisebbek, mint a mai merevlemezeken az adatok kódolására használt mágneses tartományok. Emiatt ideális építőkövei a jövőbeni adattárolási technológiáknak, például a „versenypálya” memóriáknak.

A Skyrmionokat általában úgy lehet azonosítani egy anyagban, hogy szokatlan jellemzőket (például abnormális ellenállást) észlelünk a Hall-effektusban, amely akkor következik be, amikor az elektronok áramlik át egy vezetőn alkalmazott mágneses tér jelenlétében. A mágneses tér oldalirányú erőt fejt ki az elektronokra, ami a vezetőben a térerősséggel arányos feszültségkülönbséget eredményez. Ha a vezetőnek belső mágneses mezője vagy mágneses spin-textúrája van, mint egy skyrmionnak, az az elektronokra is hatással van. Ilyen körülmények között a Hall-effektus az skyrmion topológiai Hall-effektus (THE) néven ismert.

Ahhoz, hogy a kvázirészecskék hasznosak legyenek a kétdimenziós (2D) spintronikus eszközök platformjaként, nagyon kívánatos egy nagy THE, de a skyrmionoknak is stabilnak kell lenniük széles hőmérsékleti tartományban, és kis elektromos árammal könnyen manipulálhatóknak kell lenniük. Ez idáig nehéz volt az ilyen tulajdonságokkal rendelkező skyrmions készítése, mondja a csapatvezető Haixin Chang.

"A legtöbb ismert skyrmion és a THE csak egy szűk hőmérsékleti ablakban stabilizálódik szobahőmérséklet alatt vagy felett, és nagy kritikus áramkezelést igényel" - mondja. Fizika Világa. "Még mindig megfoghatatlan és nagyon nehéz elérni egy nagy, szobahőmérsékletig terjedő hőmérsékleti ablakot és alacsony kritikus áramot a skyrmion manipulációhoz, különösen az elektronikus és spintronikus integrációra alkalmas 2D rendszerekben."

Robusztus 2D skyrmion THE

Chang és munkatársai most egy 2D-s skyrmionról számolnak be, amely úgy tűnik, megfelel a számnak. Az általuk megfigyelt THE nemcsak robusztus marad egy három nagyságrendet felölelő hőmérsékleti ablakban, hanem nagyon nagy is: 5.4 K-en 10 µΩ·cm, 0.15 K-en pedig 300 µΩ·cm. Ez egy és három nagyságrend között van. nagyságrenddel nagyobb, mint a korábban közölt szobahőmérsékletű 2D skyrmion rendszerek. És ez még nem minden: a kutatók azt találták, hogy 2D skyrmion THE-jük alacsony kritikus áramsűrűséggel, mindössze 6.2 × 10 körül vezérelhető.⁵ A·cm^-2. A kutatók szerint ez az általuk készített kiváló minőségű mintáknak (amelyek finoman szabályozható 2D ferromágnesességgel rendelkeznek), valamint a THE elektromos méréseinek pontos kvantitatív elemzése miatt volt lehetséges.

Chang úgy gondolja, hogy a csapat munkája megnyitja az utat a szobahőmérsékletű elektromosan vezérelt 2D THE és a skyrmion-alapú praktikus spintronikus és magnetoelektronikai eszközök számára. „A szobahőmérsékletű elektromos érzékelés és a skyrmionok topologikus Hall-effektussal történő manipulálása ígéretes a következő generációs kis teljesítményű spintronikus eszközök számára” – mondja.

Honnan jön a hatás

A csapat az általuk megfigyelt robusztus óriás 2D skyrmion THE lehetséges okaiba is belemélyedt. Elméleti számításaik alapján megállapították, hogy a Fe természetes oxidációja₃Kapu_2-𝑥 Az általuk vizsgált ferromágneses kristály felerősítette az ismert skyrmion-stabilizáló mágneses hatást, az úgynevezett 2D interfacial Dzyaloshinskii–Moriya kölcsönhatást (DMI). Ezért a vas természetes oxidációjának és vastagságának gondos ellenőrzésével₃Kapu_2-𝑥 kristály, megbízható oxidációs interfészt hoztak létre jelentős határfelületi DMI-vel, és megmutatták, hogy képesek robusztus 2D skyrmion THE előállítására széles hőmérsékleti ablakon belül. Ez nem könnyű feladat, mert a túlzott oxidáció a kristály szerkezetének lebomlását okozhatja, míg az elégtelen oxidáció megnehezíti a nagy határfelületi DMI kialakítását. Mindkét szélsőség hátráltatja a skyrmionok kialakulását és így a THE.

Gyenge elektromos áramok nyomon követik az apró mágneses emelkedéseket

„Csoportunk 2 óta foglalkozik a 2014D kristályok mágnesességének tanulmányozásával, és számos új mágneses kristályt fejlesztettünk ki, beleértve az ebben a munkában tanulmányozottat is” – mondja Chang. „Mind a skyrmionok, mind a topológiai Hall-effektus nagyon érdekes topológiai fizikai jelenségek, amelyek jellemzően megfigyelhetők egyes mágneses rendszerekben, de amelyeknek sok belső korlátja van a gyakorlati alkalmazásokban.

"Ezt a tanulmányt azért végeztük, hogy megpróbáljuk leküzdeni ezeket a korlátokat a hagyományos mágneses anyagokban."

A kutatók elmondják munkájukat, amelyet részletesen a Kínai fizika levelek, általános módszertanhoz vezethet a 2D DMI hangolására a 2D ferromágneses kristályok spintranszport szabályozásához. „Ez azt is bizonyítja, hogy az oxidációt sokkal jobban lehet használni egy óriási 2D THE indukálására, mint a hagyományosan alkalmazott nehézfémek és más úgynevezett erős spin-pálya kapcsoló vegyületek” – mondja Chang.

A Huazhong csapat most azon dolgozik, hogy versenypálya-memóriákat és logikai kapueszközöket készítsen a 2D skyrmion rendszerein alapuló nagysebességű és nagy sűrűségű adattároláshoz, logikai működéshez és a kutatók által „új koncepciójú kvantumszámításnak”.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/