거대 스커미온 토폴로지 홀 효과는 상온에서 XNUMX차원 강자성 결정에 나타납니다.

중국의 연구자들은 이를 담당하는 스커미온을 조작하기 위해 소량의 전류만을 사용하여 2022차원 물질에서 거대 스커미온 토폴로지 홀 효과라는 현상을 생성했습니다. 후베이성 화중과학기술대학교 팀이 XNUMX년에 발견된 강자성 결정에서 관찰한 이 발견은 스커미온을 안정화시키는 것으로 알려진 전자 스핀 상호 작용 덕분에 이루어졌습니다. 이 효과는 실온을 포함한 광범위한 온도에서 뚜렷이 나타났기 때문에 레이스트랙 메모리, 논리 게이트, 스핀 나노 발진기와 같은 XNUMX차원 토폴로지 및 스핀트로닉 장치를 개발하는 데 유용할 수 있습니다.

스커미온은 소용돌이 모양의 구조를 가진 준입자로, 많은 물질, 특히 자성박막과 다층에 존재합니다. 외부 섭동에 강하며, 너비가 수십 나노미터에 불과해 오늘날의 하드 디스크에서 데이터를 인코딩하는 데 사용되는 자기 영역보다 훨씬 작습니다. 이는 "경주장" 메모리와 같은 미래 데이터 저장 기술을 위한 이상적인 구성 요소가 됩니다.

스커미온은 일반적으로 자기장이 가해진 상태에서 전자가 도체를 통해 흐를 때 발생하는 홀 효과에서 특이한 특징(예: 비정상적인 저항률)을 발견하여 재료에서 식별할 수 있습니다. 자기장은 전자에 옆으로 힘을 가하여 자기장의 강도에 비례하는 도체의 전압 차이를 발생시킵니다. 도체에 스커미온처럼 내부 자기장이나 자기 스핀 텍스처가 있는 경우 이는 전자에도 영향을 미칩니다. 이러한 상황에서 홀 효과는 스커미온 토폴로지 홀 효과(THE)로 알려져 있습니다.

준입자가 2차원(XNUMXD) 스핀트로닉 장치용 플랫폼으로 유용하려면 큰 THE가 매우 바람직하지만 스커미온은 넓은 온도 범위에서 안정적이어야 하고 작은 전류를 사용하여 쉽게 조작할 수 있어야 합니다. 지금까지 이러한 모든 특성을 갖춘 스카이미온을 만드는 것은 어려웠다고 팀 리더는 말합니다. 장하이신.

"가장 잘 알려진 스커미온과 THE는 실온 이하 또는 이상의 좁은 온도 창에서만 안정화되며 높은 임계 전류 조작이 필요합니다."라고 그는 말합니다. 물리 세계. "특히 전자 및 스핀트로닉 통합에 적합한 2D 시스템에서 스커미온 조작을 위한 낮은 임계 전류와 실온까지 넓은 온도 창을 모두 갖춘 대규모 THE를 달성하는 것은 여전히 ​​어렵고 매우 어렵습니다."

강력한 2D 스카이미온 THE

Chang과 동료들은 이제 그 계산서에 맞는 것처럼 보이는 2D 스카이미온을 보고하고 있습니다. 그들이 관찰한 THE는 5.4차수 범위의 온도 범위에서 견고하게 유지될 뿐만 아니라 10K에서 0.15μΩ·cm, 300K에서 2μΩ·cm로 매우 큽니다. 이는 2차에서 6.2차 사이입니다. 이전에 보고된 실온 10D 스커미온 시스템보다 크기가 더 큽니다. 그리고 그것이 전부는 아닙니다. 연구원들은 XNUMXD 스커미온 THE가 약 XNUMX×XNUMX의 낮은 임계 전류 밀도로 제어될 수 있음을 발견했습니다.⁵ A·cm^-2. 연구원들은 이것이 정밀하게 제어 가능한 2D 강자성을 갖춘 고품질 샘플과 THE 전기 측정에 대한 정확한 정량 분석 ​​덕분에 가능했다고 말합니다.

Chang은 팀의 작업이 실온에서 전기적으로 제어되는 2D THE 및 스커미온 기반의 실용적인 스핀트로닉 및 자기전자 장치를 위한 길을 열었다고 생각합니다. “상온 전기적 감지와 토폴로지 홀 효과에 의한 스커미온 조작은 차세대 저전력 스핀트로닉 장치에 유망합니다.”라고 그는 말합니다.

효과는 어디서 나오는지

팀은 또한 그들이 관찰한 강력한 거대 2D 스카이미온의 가능한 이유를 조사했습니다. 이론적 계산을 바탕으로 그들은 Fe의 자연 산화가 발생한다는 것을 발견했습니다.₃문_2-𝑥 강자성 결정은 2D 계면 Dzyaloshinskii-Moriya 상호 작용(DMI)이라는 알려진 스커미온 안정화 자기 효과를 향상시키는 것을 연구했습니다. 따라서 Fe의 자연산화와 두께를 세심하게 조절함으로써₃문_2-𝑥 결정을 사용하여 그들은 상당한 크기의 계면 DMI로 신뢰할 수 있는 산화 계면을 형성했으며 넓은 온도 창 내에서 견고한 2D 스카이미온 THE를 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 과도한 산화는 결정의 구조를 저하시킬 수 있고, 불충분한 산화는 큰 계면 DMI를 형성하기 어렵기 때문에 이는 쉬운 작업이 아닙니다. 두 극단 모두 스커미온 형성과 THE를 방해하는 경향이 있습니다.

약한 전류는 작은 자기 천공을 추적합니다.

"우리 그룹은 2년부터 2014D 결정의 자성을 연구해 왔으며 이 연구에서 연구된 것을 포함하여 많은 새로운 자기 결정을 개발했습니다."라고 Chang은 말합니다. “스카미온과 토폴로지 홀 효과는 모두 일부 자기 시스템에서 일반적으로 관찰되는 매우 흥미로운 토폴로지 물리적 현상이지만 실제 적용에는 많은 본질적인 한계가 있습니다.

"우리는 전통적인 자성 재료의 이러한 한계를 극복하기 위해 이 연구를 수행했습니다."

연구자들은 그들의 연구에 대해 자세히 설명하고 있습니다. 중국어 물리학 문자, 2D 강자성 결정의 스핀 전송 제어를 위해 2D DMI를 조정하는 일반적인 방법론으로 이어질 수 있습니다. Chang은 “이는 산화가 중금속 및 기타 소위 강한 스핀-궤도 결합 화합물보다 훨씬 더 나은 거대한 2D를 유도하는 데 사용될 수 있음을 증명합니다.”라고 말했습니다.

화중팀 현재 고속, 고밀도 데이터 저장, 논리 연산 및 연구원들이 "신개념 양자 계산"이라고 부르는 2D 스커미온 시스템을 기반으로 경마장 메모리와 논리 게이트 장치를 만드는 방법을 모색하고 있습니다.

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