L’effetto Hall topologico Skyrmion gigante appare in un cristallo ferromagnetico bidimensionale a temperatura ambiente – Physics World

Ricercatori in Cina hanno prodotto un fenomeno noto come effetto Hall topologico degli skyrmion giganti in un materiale bidimensionale utilizzando solo una piccola quantità di corrente per manipolare gli skyrmion responsabili di ciò. La scoperta, che un team dell’Università di Scienza e Tecnologia di Huazhong nell’Hubei ha osservato in un cristallo ferromagnetico scoperto nel 2022, avviene grazie a un’interazione di spin elettronico nota per stabilizzare gli skyrmion. Poiché l'effetto era evidente a un'ampia gamma di temperature, inclusa la temperatura ambiente, potrebbe rivelarsi utile per lo sviluppo di dispositivi topologici e spintronici bidimensionali come memorie di pista, porte logiche e nano-oscillatori di spin.

Gli Skyrmion sono quasiparticelle con una struttura simile a un vortice ed esistono in molti materiali, in particolare film sottili magnetici e multistrati. Sono resistenti alle perturbazioni esterne e, con una larghezza di appena decine di nanometri, sono molto più piccoli dei domini magnetici utilizzati per codificare i dati negli odierni dischi rigidi. Ciò li rende elementi ideali per le future tecnologie di archiviazione dei dati come le memorie “da pista”.

Gli skyrmioni possono generalmente essere identificati in un materiale individuando caratteristiche insolite (ad esempio, resistività anomala) nell'effetto Hall, che si verifica quando gli elettroni fluiscono attraverso un conduttore in presenza di un campo magnetico applicato. Il campo magnetico esercita una forza laterale sugli elettroni, portando ad una differenza di tensione nel conduttore proporzionale all'intensità del campo. Se il conduttore ha un campo magnetico interno o una struttura di spin magnetico, come fa uno skyrmion, ciò influisce anche sugli elettroni. In queste circostanze, l’effetto Hall è noto come effetto Hall topologico skyrmion (THE).

Affinché le quasiparticelle siano utili come piattaforme per dispositivi spintronici bidimensionali (2D), un grande THE è altamente auspicabile, ma gli skyrmion devono anche essere stabili in un ampio intervallo di temperature e facili da manipolare utilizzando piccole correnti elettriche. Fino ad ora, realizzare skyrmion con tutte queste proprietà è stato difficile, afferma il caposquadra Haixin Chang.

"La maggior parte degli skyrmion e dei THE conosciuti sono stabilizzati solo in una ristretta finestra di temperatura al di sotto o al di sopra della temperatura ambiente e richiedono un'elevata manipolazione della corrente critica", spiega Mondo della fisica. “È ancora sfuggente e molto impegnativo ottenere un grande THE con un’ampia finestra di temperatura fino alla temperatura ambiente e una bassa corrente critica per la manipolazione degli skyrmion, soprattutto nei sistemi 2D adatti per integrazioni elettroniche e spintroniche”.

Robusto skyrmion 2D THE

Chang e colleghi stanno ora segnalando uno skyrmion 2D che sembra adattarsi al progetto. Non solo il THE osservato rimane robusto su una finestra di temperatura che copre tre ordini di grandezza, ma è anche molto grande, misurando 5.4 µΩ·cm a 10 K e 0.15 µΩ·cm a 300 K. Si tratta di un valore compreso tra uno e tre ordini di magnitudo maggiore rispetto ai sistemi skyrmion 2D a temperatura ambiente precedentemente riportati. E non è tutto: i ricercatori hanno scoperto che il loro skyrmion 2D THE può essere controllato con una densità di corrente critica bassa di soli circa 6.2×10⁵ A·cm^-2. I ricercatori affermano che ciò è stato possibile grazie ai campioni di alta qualità che hanno fabbricato (che hanno un ferromagnetismo 2D finemente controllabile), oltre alle loro precise analisi quantitative delle misurazioni elettriche THE.

Chang ritiene che il lavoro del team apra la strada al 2D THE controllato elettricamente a temperatura ambiente e ai pratici dispositivi spintronici e magnetoelettronici basati su Skyrmion. "Il rilevamento elettrico a temperatura ambiente e la manipolazione degli skyrmion mediante l'effetto Hall topologico sono promettenti per i dispositivi spintronici a bassa potenza di prossima generazione", afferma.

Da dove viene l'effetto

Il team ha anche approfondito le possibili ragioni del robusto skyrmion 2D gigante THE osservato. Sulla base dei loro calcoli teorici, hanno scoperto che l'ossidazione naturale del Fe₃Cancello_2-𝑥 Il cristallo ferromagnetico che hanno studiato ha potenziato un noto effetto magnetico stabilizzante degli skyrmion chiamato interazione interfacciale 2D Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). Quindi, controllando attentamente l'ossidazione naturale e lo spessore del Fe₃Cancello_2-𝑥 cristallo, hanno formato un'interfaccia di ossidazione affidabile con un DMI interfacciale considerevole e hanno dimostrato di essere in grado di produrre un robusto skyrmion THE 2D all'interno di un'ampia finestra di temperatura. Questo non è un compito facile perché un’ossidazione eccessiva può causare il degrado della struttura del cristallo, mentre un’ossidazione insufficiente rende difficile la formazione di un ampio DMI interfacciale. Entrambi gli estremi tendono ad ostacolare la formazione degli skyrmion e quindi dei THE.

Deboli correnti elettriche seguono minuscoli skyrmion magnetici

“Il nostro gruppo studia il magnetismo nei cristalli 2D dal 2014 e abbiamo sviluppato molti nuovi cristalli magnetici, incluso quello studiato in questo lavoro”, afferma Chang. “Sia gli skyrmion che l’effetto Hall topologico sono fenomeni fisici topologici molto interessanti che vengono tipicamente osservati in alcuni sistemi magnetici, ma che hanno molte limitazioni intrinseche per le applicazioni pratiche.

“Abbiamo condotto questo studio per cercare di superare queste limitazioni nei materiali magnetici tradizionali”.

I ricercatori affermano il loro lavoro, che è dettagliato in Lettere cinesi di fisica, potrebbe portare a una metodologia generale per la messa a punto del DMI 2D per il controllo del trasporto di spin nei cristalli ferromagnetici 2D. "Dimostra anche che l'ossidazione può essere utilizzata per indurre un gigante 2D THE molto meglio dei metalli pesanti e degli altri cosiddetti composti di accoppiamento spin-orbita tradizionalmente utilizzati", afferma Chang.

La squadra di Huazhong sta ora cercando di realizzare memorie di pista e dispositivi a porte logiche basati sui loro sistemi Skyrmion 2D per l’archiviazione di dati ad alta velocità e alta densità, operazioni logiche e ciò che i ricercatori chiamano “calcolo quantistico di nuovo concetto”.

• Distribuzione di contenuti basati su SEO e PR. Ricevi amplificazione oggi.
• PlatoData.Network Generativo verticale Ai. Potenzia te stesso. Accedi qui.
• PlatoAiStream. Intelligenza Web3. Conoscenza amplificata. Accedi qui.
• PlatoneESG. Carbonio, Tecnologia pulita, Energia, Ambiente, Solare, Gestione dei rifiuti. Accedi qui.
• Platone Salute. Intelligence sulle biotecnologie e sulle sperimentazioni cliniche. Accedi qui.
• Fonte: https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/