巨大スキルミオントポロジカルホール効果が室温の二次元強磁性結晶に現れる – Physics World

中国の研究者らは、原因となるスキルミオンを操作するために少量の電流のみを使用して、二次元材料に巨大スキルミオントポロジカルホール効果として知られる現象を引き起こした。 この発見は、湖北省華中科技大学のチームが2022年に発見した強磁性結晶で観察したもので、スキルミオンを安定化させることが知られている電子スピン相互作用のおかげで得られたものである。 この効果は室温を含む幅広い温度で明らかであったため、レーストラックメモリ、論理ゲート、スピンナノ発振器などの二次元トポロジカルデバイスやスピントロニクスデバイスの開発に役立つ可能性がある。

スキルミオンは渦のような構造を持つ準粒子であり、多くの材料、特に磁性薄膜や多層中に存在します。 これらは外部の摂動に対して堅牢であり、直径はわずか数十ナノメートルで、今日のハードディスク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です。 そのため、「レーストラック」メモリなどの将来のデータ ストレージ テクノロジにとって理想的な構成要素となります。

スキルミオンは一般に、印加された磁場の存在下で電子が導体を流れるときに発生するホール効果の異常な特徴 (異常な抵抗率など) を検出することによって、材料内で識別できます。 磁場は電子に横方向の力を及ぼし、磁場の強さに比例して導体に電圧差が生じます。 スキルミオンのように導体が内部磁場や磁気スピン構造を持っている場合、これも電子に影響を与えます。 このような状況では、ホール効果はスキルミオン トポロジカル ホール効果 (THE) として知られています。

準粒子が二次元（2D）スピントロニクスデバイスのプラットフォームとして有用であるためには、大きなTHEが非常に望ましいが、スキルミオンは広い温度範囲にわたって安定であり、小さな電流を使用して容易に操作できる必要がある。 これまで、これらの特性をすべて備えたスキルミオンを作るのは困難だったとチームリーダーは語る チャン・ハイシン.

「ほとんどの既知のスキルミオンとTHEは、室温以下または室温以上の狭い温度範囲でのみ安定しており、高い臨界電流の操作が必要です」と彼は言う。 物理学の世界。 「特に電子とスピントロニクスの統合に適した2Dシステムにおいて、室温までの広い温度範囲とスキルミオン操作のための低い臨界電流の両方を備えた大きなTHEを達成することは依然としてとらえどころがなく、非常に困難です。」

堅牢な2DスキルミオンTHE

Chang 氏と同僚は現在、この要件に適合すると思われる 2D スキルミオンを報告しています。 彼らが観測した THE は、5.4 桁にわたる温度範囲にわたって堅牢なままであるだけでなく、非常に大きく、10 K で 0.15 μΩ・cm、300 K で 2 μΩ・cm と測定されます。これは 2 桁から 6.2 桁の間です。これまでに報告された室温の 10D スキルミオン システムよりも大きい。 それだけではありません。研究者らは、XNUMXD スキルミオン THE がわずか XNUMX×XNUMX 程度の低い臨界電流密度で制御できることを発見しました。⁵ A・cm^-2。 研究者らは、彼らが作製した高品質のサンプル（細かく制御可能な2D強磁性を持つ）と、THE電気測定の正確な定量分析のおかげでこれが可能になったと述べている。

Chang 氏は、このチームの研究が室温で電気的に制御される 2D THE やスキルミオンベースの実用的なスピントロニクスおよび磁気電子デバイスへの道を開くものであると考えています。 「室温でのトポロジカルホール効果によるスキルミオンの電気的検出と操作は、次世代の低電力スピントロニクスデバイスにとって有望です」と彼は言います。

効果はどこから来るのか

研究チームはまた、観察した堅牢な巨大な 2D スキルミオン THE の考えられる理由を詳しく調査しました。 彼らの理論的計算に基づいて、彼らは鉄の自然酸化が起こることを発見しました。₃ゲート_2-𝑥 彼らが研究した強磁性結晶は、2D界面ジャロシンスキー・モリヤ相互作用（DMI）と呼ばれる既知のスキルミオン安定化磁気効果を強化した。 したがって、Feの自然酸化と厚さを注意深く制御することにより、₃ゲート_2-𝑥 彼らは、結晶の作製に際し、かなりの界面DMIを有する信頼性の高い酸化界面を形成し、広い温度範囲内で堅牢な2DスキルミオンTHEを生成できることを示した。 過剰な酸化は結晶構造の劣化を引き起こす可能性があり、酸化が不十分であると大きな界面DMIを形成することが困難になるため、これは容易な作業ではありません。 両方の極端な場合、スキルミオンの形成が妨げられる傾向があり、THE の形成が妨げられます。

微弱な電流が小さな磁気スキルミオンを追跡する

「私たちのグループは2年から2014D結晶における磁性を研究しており、今回の研究で研究したものを含め、多くの新しい磁性結晶を開発してきました」とチャン氏は言う。 「スキルミオンとトポロジカル ホール効果はどちらも、一部の磁気システムで通常観察される非常に興味深いトポロジカル物理現象ですが、実際の応用には多くの本質的な制限があります。

「私たちは、従来の磁性材料におけるこれらの限界を克服するためにこの研究を実施しました。」

研究者らは自分たちの研究について次のように述べています。 中国の物理学の手紙、2D 強磁性結晶におけるスピン輸送制御のために 2D DMI を調整するための一般的な方法論につながる可能性があります。 「これはまた、伝統的に使用されてきた重金属や他のいわゆる強力なスピン軌道結合化合物よりもはるかに優れた巨大な2D THEを誘導するために酸化を使用できることを証明しています」とチャン氏は言う。

華中チーム は現在、高速かつ高密度のデータストレージ、論理演算、および研究者が「新概念の量子計算」と呼ぶものを実現するための、2Dスキルミオンシステムに基づいたレーストラックメモリと論理ゲートデバイスの製造を検討している。

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/