メロンと呼ばれる準粒子が合成反強磁性体中に初めて出現 – Physics World

国際研究チームは、合成反強磁性体中にメロンと呼ばれる準粒子を初めて特定した。その結果は、電子の磁気モーメントまたはスピンを利用して情報を保存および処理する、スピントロニクス デバイスの新しい概念につながる可能性があります。

スピントロニクスベースのコンピュータメモリデバイスは、今日の純粋に電子的なメモリデバイスよりも高速でコンパクトになるため、科学者たちはこの方法で電子スピンを利用しようとしています。このようなデバイスをどのように構築するのが最適かという問題には、まだ決定的な答えはありませんが、最近の研究の多くは、潜在的な構成要素としてスキルミオンと呼ばれる構造に焦点を当てています。これらの構造は、多数の電子スピンで構成される準粒子であり、材料内の 2 次元の渦巻き (または「スピン テクスチャ」) と考えることができます。

スキルミオンは、最初に発見されたコバルト-鉄-シリコンやマンガン-ケイ化物の薄膜など、多くの磁性材料中に存在します。これらは外部摂動に対して堅牢であり、含まれる情報の保存と処理において特に安定しているため、スピントロニクスの候補として魅力的です。また、直径わずか数十ナノメートルで、今日のディスクドライブでデータをエンコードするために使用される磁区よりもはるかに小さいため、「レーストラック」メモリなどの将来のデータストレージテクノロジーに最適です。

スキルミオンと同様に、メロンは多数の個々のスピンで構成されています。それらとは異なり、漂遊磁場は非常に小さいため、超高速動作が容易になり、デバイス内の情報記憶密度がさらに高くなります。しかし、これまでメロンは天然の反強磁性体の中でしか観察されておらず、その場合、分析や操作が難しいことがわかっていた。

最小の正味磁気モーメント

研究者は ヨハネスグーテンベルク大学マインツ (JGU) ドイツ。 東北大学、 日本;そしてその ALBA放射光施設 スペインの研究者らは、相互に結合した個々の強磁性層の多層スタックから作られた合成反強磁性体のメロンを同定した。天然の反強磁性体とは異なり、これらの合成材料は、スパッタ蒸着などの確立された技術を使用して、十分に制御された方法で調製できます。

この絶妙な制御により、チームはさまざまな層がどのように相互作用するかを調整し、それによって正味の磁気モーメントを最小限に抑えることができました。これにより、反強磁性体 (電子スピンが互いに反平行に整列する傾向がある) と強磁性体 (電子スピンが平行である) の両方のシステムの利点が得られます。例としては、低漂遊磁場だけでなく、安定したホモキラル組織や多結晶環境内の高速スピンダイナミクスも含まれると説明しています。 モナ・ブクタ、JGUの博士課程の学生であり、研究の共同リーダーです。

「私たちの研究では、非常に小さな磁化容易面異方性を持つ合成反強磁性体のこれらのスピンテクスチャーを安定化することに成功し（磁化の優先配向が膜面内に存在するように）、いくつかのイメージング方法を組み合わせることによって、その複雑な構造をイメージングすることに成功しました。」ブクタさんは言う。彼らが使用した方法には、偏光解析を伴う磁気力顕微鏡法および走査型電子顕微鏡法、ならびに X 線磁気円二色性を使用する元素固有の光電子顕微鏡法が含まれていました。

これらのイメージング技術のおかげで、チームは積層材料内の複数の異なるスピン テクスチャを特定しました。研究者らはメロンの存在を明確に実証する前に、磁化ベクトルの 3 つの成分すべてを分解する方法で準粒子を画像化する必要があったため、これは簡単ではありませんでした。研究者らはまた、システム内のそのような構造を安定化させるメカニズムを解明するための分析モデルも開発した。この場合の目標は、各層の最適な厚さを決定し、メロンに最適な「ホスト材料」を特定することでした。

関連する構造も観察される

研究チームはメロンを同定するだけでなく、合成反強磁性体中のアンチメロンやトポロジカルに安定化したビメロンなどの関連構造も観察した。スキルミオンとは異なり、正味の磁化の方向とバイメロンによって生成される創発磁場は相互に直交しているとブクタ氏は説明する。

「この特徴的な機能により、たとえば、メロン スピン テクスチャを使用してトポロジカル ホール効果を直接調べて操作することが可能になります」と彼女は語ります。 物理学の世界。この効果は、磁場の存在下で電子が導体を流れるときに発生します。印加された磁場は電子に横方向の力を及ぼし、磁場の強さに比例する電圧差が生じます。導体に内部磁場または磁気スピン構造がある場合、これは電子にも影響します。

「バイメロンからのホール信号は、トポロジーを検出して定量化する直接的な手段を提供し、トポロジーが情報の伝達手段として機能する磁気トポロジーベースの技術を開発するという刺激的な可能性を私たちに提供します」とブクタ氏は言う。

で彼らの仕事を詳述する研究者 ネイチャー·コミュニケーションズ、現在、メロンと外部磁場および電流の間の相互作用を調査する予定です。 「私たちは彼らがどのように相互作用するのかも研究したいと思っています」とブクタ氏は言う。

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/quasiparticles-called-merons-appear-in-a-synthetic-antiferromagnet-for-the-first-time/