Efek Hall topologi skyrmion raksasa muncul dalam kristal feromagnetik dua dimensi pada suhu kamar – Dunia Fisika

Para peneliti di Tiongkok telah menghasilkan fenomena yang dikenal sebagai efek Hall topologi skyrmion raksasa dalam material dua dimensi hanya dengan menggunakan sedikit arus untuk memanipulasi skyrmion yang bertanggung jawab terhadapnya. Temuan tersebut, yang diamati oleh tim di Universitas Sains dan Teknologi Huazhong di Hubei pada kristal feromagnetik yang ditemukan pada tahun 2022, terjadi berkat interaksi putaran elektronik yang diketahui menstabilkan skyrmion. Karena efeknya terlihat jelas pada berbagai suhu, termasuk suhu ruangan, hal ini terbukti berguna untuk mengembangkan perangkat topologi dan spintronik dua dimensi seperti memori arena pacuan kuda, gerbang logika, dan osilator nano putaran.

Skyrmion adalah partikel kuasi dengan struktur seperti pusaran, dan terdapat di banyak material, terutama film tipis magnetik dan multilapisan. Mereka kuat terhadap gangguan eksternal, dan dengan lebar hanya puluhan nanometer, mereka jauh lebih kecil dibandingkan domain magnetik yang digunakan untuk menyandikan data di hard disk saat ini. Hal ini menjadikannya landasan yang ideal untuk teknologi penyimpanan data masa depan seperti memori “lintasan balap”.

Skyrmion umumnya dapat diidentifikasi dalam suatu material dengan melihat fitur yang tidak biasa (misalnya, resistivitas abnormal) pada efek Hall, yang terjadi ketika elektron mengalir melalui konduktor dengan adanya medan magnet yang diterapkan. Medan magnet memberikan gaya menyamping pada elektron, menyebabkan perbedaan tegangan pada konduktor yang sebanding dengan kekuatan medan. Jika konduktor memiliki medan magnet internal atau tekstur putaran magnet, seperti skyrmion, hal ini juga mempengaruhi elektron. Dalam keadaan ini, efek Hall dikenal sebagai efek Hall topologi skyrmion (THE).

Agar kuasipartikel dapat berguna sebagai platform untuk perangkat spintronik dua dimensi (2D), THE yang besar sangat diinginkan, namun skyrmion juga harus stabil pada rentang suhu yang luas dan mudah dimanipulasi menggunakan arus listrik kecil. Hingga saat ini, sulit membuat skyrmion dengan semua properti ini, kata ketua tim Haixin Chang.

“Skyrmion yang paling dikenal dan THE distabilkan hanya dalam jendela suhu sempit di bawah atau di atas suhu ruangan dan memerlukan manipulasi arus kritis yang tinggi,” katanya. Dunia Fisika. “Masih sulit dan sangat menantang untuk mencapai THE yang besar dengan jendela suhu yang lebar hingga suhu ruangan dan arus kritis yang rendah untuk manipulasi skyrmion, terutama dalam sistem 2D yang cocok untuk integrasi elektronik dan spintronik.”

Skyrmion 2D yang kuat THE

Chang dan rekannya kini melaporkan skyrmion 2D yang tampaknya sesuai dengan kebutuhan. Tidak hanya THE yang mereka amati tetap kuat pada jendela suhu yang mencakup tiga kali lipat, ia juga sangat besar, berukuran 5.4 µΩ·cm pada 10 K dan 0.15 µΩ·cm pada 300 K. Ini antara satu dan tiga kali lipat besarnya lebih besar dari sistem skyrmion 2D suhu kamar yang dilaporkan sebelumnya. Dan bukan itu saja: para peneliti menemukan bahwa skyrmion 2D mereka THE dapat dikontrol dengan kepadatan arus kritis yang rendah hanya sekitar 6.2×10⁵ A·cm^-2. Para peneliti mengatakan hal ini dimungkinkan karena sampel berkualitas tinggi yang mereka buat (yang memiliki feromagnetisme 2D yang dapat dikontrol dengan baik), ditambah analisis kuantitatif yang tepat terhadap pengukuran kelistrikan THE.

Chang berpendapat bahwa kerja tim membuka jalan bagi 2D THE yang dikontrol secara elektrik pada suhu ruangan dan perangkat spintronik dan magnetoelektronik praktis berbasis skyrmion. “Deteksi listrik pada suhu ruangan dan manipulasi skyrmion dengan efek topologi Hall menjanjikan untuk perangkat spintronik berdaya rendah generasi berikutnya,” katanya.

Dari mana dampak itu berasal

Tim juga menyelidiki kemungkinan penyebab skyrmion 2D raksasa yang mereka amati. Berdasarkan perhitungan teoritis mereka, mereka menemukan bahwa oksidasi alami Fe₃Gerbang_2-𝑥 kristal feromagnetik yang mereka pelajari meningkatkan efek magnetik penstabil skyrmion yang dikenal yang disebut interaksi antarmuka Dzyaloshinskii – Moriya 2D (DMI). Oleh karena itu, dengan mengontrol oksidasi alami dan ketebalan Fe secara hati-hati₃Gerbang_2-𝑥 kristal, mereka membentuk antarmuka oksidasi yang andal dengan DMI antarmuka yang cukup besar, dan menunjukkan bahwa mereka mampu menghasilkan skyrmion 2D yang kuat dalam rentang suhu yang luas. Hal ini bukanlah tugas yang mudah karena oksidasi yang berlebihan dapat menyebabkan struktur kristal terdegradasi, sedangkan oksidasi yang tidak mencukupi menyulitkan pembentukan DMI antarmuka yang besar. Kedua ekstrem tersebut cenderung menghambat pembentukan skyrmion dan juga THE.

Arus listrik yang lemah melacak skyrmion magnetik kecil

“Kelompok kami telah mempelajari magnetisme dalam kristal 2D sejak tahun 2014 dan kami telah mengembangkan banyak kristal magnetik baru, termasuk yang dipelajari dalam penelitian ini,” kata Chang. “Baik skyrmion dan efek topologi Hall adalah fenomena fisik topologi yang sangat menarik yang biasanya diamati pada beberapa sistem magnetik, namun memiliki banyak keterbatasan intrinsik untuk aplikasi praktis.

“Kami melakukan penelitian ini untuk mencoba dan mengatasi keterbatasan bahan magnetik tradisional.”

Para peneliti mengatakan pekerjaan mereka, yang dirinci dalam Sastra Fisika Cina, dapat mengarah pada metodologi umum untuk menyetel DMI 2D untuk kontrol transportasi putaran dalam kristal feromagnetik 2D. “Ini juga membuktikan bahwa oksidasi dapat digunakan untuk menginduksi 2D raksasa jauh lebih baik daripada logam berat dan senyawa kopling spin-orbit kuat lainnya yang biasa digunakan,” kata Chang.

Tim Huazhong sekarang sedang mempertimbangkan untuk membuat memori arena pacuan kuda dan perangkat gerbang logika berdasarkan sistem skyrmion 2D mereka untuk penyimpanan data berkecepatan tinggi dan kepadatan tinggi, operasi logika, dan apa yang oleh para peneliti disebut sebagai “komputasi kuantum konsep baru”.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/