אפקט הול טופולוגי ענק של סקירמיון מופיע בגביש פרומגנטי דו מימדי בטמפרטורת החדר - עולם הפיזיקה

חוקרים בסין יצרו תופעה המכונה אפקט הול הטופולוגי הענק של סקירמיון בחומר דו מימדי תוך שימוש בכמות קטנה של זרם בלבד כדי לתמרן את הסקירמיונים האחראים לו. הממצא, שצוות מאוניברסיטת Huazhong למדע וטכנולוגיה בהובי צפה בגביש פרומגנטי שהתגלה בשנת 2022, מגיע הודות לאינטראקציית ספין אלקטרונית הידועה כמייצבת סקירמיונים. מכיוון שהאפקט ניכר בטווח רחב של טמפרטורות, כולל טמפרטורת החדר, הוא יכול להיות שימושי לפיתוח מכשירים טופולוגיים וספינטרוניים דו-מימדיים כגון זיכרון מסלול מירוצים, שערים לוגיים וננו-מתנדים ספין.

סקרמיונים הם חלקיקים כמו-חלקיקים בעלי מבנה דמוי מערבולת, והם קיימים בחומרים רבים, בעיקר סרטים דקים מגנטיים ורב שכבות. הם עמידים בפני הפרעות חיצוניות, וברוחב של עשרות ננומטרים בלבד, הם קטנים בהרבה מהתחומים המגנטיים המשמשים לקידוד נתונים בדיסק הקשיח של היום. זה הופך אותם לאבני בניין אידיאליות עבור טכנולוגיות אחסון נתונים עתידיות כמו זיכרונות "מסלולי מירוצים".

בדרך כלל ניתן לזהות סקרמיונים בחומר על ידי זיהוי מאפיינים חריגים (לדוגמה, התנגדות חריגה) באפקט הול, המתרחש כאשר אלקטרונים זורמים דרך מוליך בנוכחות שדה מגנטי מופעל. השדה המגנטי מפעיל כוח צדדי על האלקטרונים, מה שמוביל להפרש מתחים במוליך שהוא פרופורציונלי לחוזק השדה. אם למוליך יש שדה מגנטי פנימי או מרקם ספין מגנטי, כמו שיש לסקירמיון, הדבר משפיע גם על האלקטרונים. בנסיבות אלה, אפקט הול ידוע בתור אפקט הול הטופולוגי של סקירמיון (THE).

כדי שקוואזי-חלקיקים יהיו שימושיים כפלטפורמות למכשירי ספינטרוניק דו-ממדיים (2D), רצוי מאוד THE גדול, אך הסקירמיונים צריכים להיות יציבים גם בטווח טמפרטורות רחב וקל לתפעול באמצעות זרמים חשמליים קטנים. עד עכשיו, ייצור סקירמיונים עם כל המאפיינים האלה היה קשה, אומר ראש הצוות האיקסין צ'אנג.

"רוב הסקירמיונים הידועים וה-TH מיוצבים רק בחלון טמפרטורה צר מתחת או מעל טמפרטורת החדר ודורשים מניפולציה של זרם קריטי גבוה", הוא אומר. עולם הפיזיקה. "זה עדיין חמקמק ומאתגר מאוד להשיג THE גדול גם עם חלון טמפרטורה רחב עד לטמפרטורת החדר וגם עם זרם קריטי נמוך למניפולציה של סקירמיונים, במיוחד במערכות דו-ממדיות המתאימות לאינטגרציות אלקטרוניות וספינטרוניקות."

Skyrmion דו מימד חזק THE

צ'אנג ועמיתיו מדווחים כעת על סקירמיון דו מימדי שנראה כי מתאים לחשבון. לא רק שה-TH שהם צופים נשאר חזק על פני חלון טמפרטורה המשתרע על פני שלושה סדרי גודל, הוא גם גדול מאוד, בגודל של 2 µΩ·cm ב-5.4 K ו-10 µΩ·cm ב-0.15 K. זה בין סדר אחד לשלושה של גודל גדול יותר ממה שדווח בעבר מערכות סקירמיון דו מימד בטמפרטורת החדר. וזה לא הכל: החוקרים גילו שניתן לשלוט בסקירמיון ה-300D שלהם עם צפיפות זרם קריטית נמוכה של כ-2×2 בלבד.⁵ A·cm^-2. החוקרים אומרים שזה היה אפשרי בשל הדגימות האיכותיות שהם יצרו (בעלותן פרומגנטיות דו-ממדית הניתנת לשליטה עדינה), בתוספת הניתוחים הכמותיים המדויקים של המדידות החשמליות של THE.

צ'אנג חושב שהעבודה של הצוות סוללת את הדרך ל-2D THE הנשלט חשמלית בטמפרטורת החדר ולמכשירים ספינטרוניים ומגנטו-אלקטרוניים מעשיים מבוססי סקיירמיון. "זיהוי חשמלי בטמפרטורת החדר ומניפולציה של סקירמיונים על ידי אפקט הול הטופולוגי מבטיחים לדור הבא של מכשירי ספינטרוניקה בעלי הספק נמוך", הוא אומר.

מאיפה האפקט מגיע

הצוות גם התעמק בסיבות אפשריות לסקירמיון הענק הדו-ממדי החזק THE שהם צפו. בהתבסס על החישובים התיאורטיים שלהם, הם גילו שהחמצון הטבעי של ה-Fe₃שַׁעַר_2-𝑥 גביש פרומגנטי שהם חקרו שיפר אפקט מגנטי ידוע המייצב סקירמיונים הנקרא אינטראקציית Dzyaloshinskii-Moriya הדו-ממדית (DMI). לפיכך, על ידי שליטה קפדנית בחמצון ובעובי הטבעי של ה-Fe₃שַׁעַר_2-𝑥 קריסטל, הם יצרו ממשק חמצון אמין עם DMI ממשק פנים גדול, והראו שהם מסוגלים לייצר סקירמיון 2D חזק THE בתוך חלון טמפרטורה רחב. זו לא משימה קלה מכיוון שחמצון מוגזם עלול לגרום למבנה הגביש להתפרק, בעוד שחמצון לא מספיק מקשה על יצירת DMI ממשק גדול. שני הקצוות נוטים לעכב את היווצרותם של סקירמיונים ובכך את ה-THE.

זרמים חשמליים חלשים עוקבים אחר סקירמיונים מגנטיים זעירים

"הקבוצה שלנו חוקרת מגנטיות בגבישים דו-ממדיים מאז 2 ופיתחנו הרבה גבישים מגנטיים חדשים, כולל זה שנלמד בעבודה זו", אומר צ'אנג. "שני הסקירמיונים והן אפקט הול הטופולוגי הם תופעות פיזיקליות טופולוגיות מעניינות מאוד, שבדרך כלל נצפות בכמה מערכות מגנטיות, אך יש להן הרבה מגבלות פנימיות ליישומים מעשיים.

"ערכנו את המחקר הזה כדי לנסות ולהתגבר על המגבלות הללו בחומרים מגנטיים מסורתיים."

החוקרים אומרים את עבודתם, המפורטת ב מכתבי פיזיקה סינית, יכול להוביל למתודולוגיה כללית לכוונון 2D DMI לבקרת הובלה ספין בגבישים פרומגנטיים 2D. "זה גם מוכיח שניתן להשתמש בחמצון כדי לגרום ל-2D ענקי הרבה יותר טוב ממתכת כבדה ותרכובות צימוד ספין-מסלול חזקות אחרות שנקראות בשימוש מסורתי", אומר צ'אנג.

צוות Huazhong כעת בוחנת יצירת זיכרונות של מסלולי מירוצים והתקני שער לוגי המבוססים על מערכות הסקירמיון הדו-ממדיות שלהם לאחסון נתונים במהירות גבוהה ובצפיפות גבוהה, תפעול לוגי ומה שהחוקרים מכנים "חישוב קוונטי חדש של מושג".

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/