Het gigantische skyrmion-topologische Hall-effect verschijnt in een tweedimensionaal ferromagnetisch kristal bij kamertemperatuur – Physics World

Onderzoekers in China hebben een fenomeen geproduceerd dat bekend staat als het gigantische skyrmion-topologische Hall-effect in een tweedimensionaal materiaal, waarbij slechts een kleine hoeveelheid stroom wordt gebruikt om de skyrmionen die daarvoor verantwoordelijk zijn te manipuleren. De bevinding, die een team van de Huazhong Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Hubei heeft waargenomen in een ferromagnetisch kristal dat in 2022 werd ontdekt, komt tot stand dankzij een elektronische spin-interactie waarvan bekend is dat deze skyrmionen stabiliseert. Omdat het effect zichtbaar was bij een breed temperatuurbereik, inclusief kamertemperatuur, zou het nuttig kunnen zijn voor de ontwikkeling van tweedimensionale topologische en spintronische apparaten zoals racetrackgeheugen, logische poorten en spin-nano-oscillatoren.

Skyrmionen zijn quasideeltjes met een vortexachtige structuur, en ze komen voor in veel materialen, met name magnetische dunne films en meerlagen. Ze zijn bestand tegen verstoringen van buitenaf, en met een doorsnede van slechts tientallen nanometers zijn ze veel kleiner dan de magnetische domeinen die worden gebruikt om gegevens op de hedendaagse harde schijven te coderen. Dat maakt ze ideale bouwstenen voor toekomstige technologieën voor gegevensopslag, zoals ‘racetrack’-herinneringen.

Skyrmionen kunnen in het algemeen in een materiaal worden geïdentificeerd door ongebruikelijke kenmerken (bijvoorbeeld abnormale weerstand) op te merken in het Hall-effect, dat optreedt wanneer elektronen door een geleider stromen in de aanwezigheid van een aangelegd magnetisch veld. Het magnetische veld oefent een zijwaartse kracht uit op de elektronen, wat leidt tot een spanningsverschil in de geleider dat evenredig is met de sterkte van het veld. Als de geleider een intern magnetisch veld of magnetische spintextuur heeft, zoals een skyrmion, heeft dit ook invloed op de elektronen. In deze omstandigheden staat het Hall-effect bekend als het skyrmion topologische Hall-effect (THE).

Als quasideeltjes nuttig willen zijn als platforms voor tweedimensionale (2D) spintronische apparaten, is een grote THE zeer wenselijk, maar de skyrmionen moeten ook stabiel zijn over een breed temperatuurbereik en gemakkelijk te manipuleren met behulp van kleine elektrische stromen. Tot nu toe was het maken van skyrmions met al deze eigenschappen lastig, zegt teamleider Haixi Chang.

“De meeste bekende skyrmionen en de THE worden gestabiliseerd in slechts een smal temperatuurvenster, zowel onder als boven kamertemperatuur, en vereisen een hoge kritische stroommanipulatie”, vertelt hij. Natuurkunde wereld. "Het is nog steeds ongrijpbaar en zeer uitdagend om een ​​grote THE te bereiken met zowel een breed temperatuurvenster tot kamertemperatuur als een lage kritische stroom voor skyrmion-manipulatie, vooral in 2D-systemen die geschikt zijn voor elektronische en spintronische integraties."

Robuuste 2D-skyrmion THE

Chang en collega's rapporteren nu een 2D-skyrmion die aan de verwachtingen lijkt te voldoen. De THE die ze waarnemen blijft niet alleen robuust over een temperatuurvenster van drie ordes van grootte, hij is ook erg groot, met afmetingen van 5.4 µΩ·cm bij 10 K en 0.15 µΩ·cm bij 300 K. Dit ligt tussen één en drie ordes van grootte. magnitude groter dan eerder gerapporteerde 2D-skyrmion-systemen op kamertemperatuur. En dat is nog niet alles: de onderzoekers ontdekten dat hun 2D-skyrmion THE kan worden bestuurd met een lage kritische stroomdichtheid van ongeveer 6.2×10⁵ Een·cm^-2. De onderzoekers zeggen dat dit mogelijk was dankzij de hoogwaardige monsters die ze hadden vervaardigd (die een nauwkeurig regelbaar 2D-ferromagnetisme hebben), plus hun nauwkeurige kwantitatieve analyses van de elektrische metingen van THE.

Chang denkt dat het werk van het team de weg vrijmaakt voor elektrisch gestuurde 2D THE- en skyrmion-gebaseerde praktische spintronische en magneto-elektronische apparaten op kamertemperatuur. “Elektrische detectie en manipulatie van skyrmionen bij kamertemperatuur door het topologische Hall-effect zijn veelbelovend voor de volgende generatie spintronische apparaten met laag vermogen”, zegt hij.

Waar het effect vandaan komt

Het team heeft zich ook verdiept in mogelijke redenen voor de robuuste gigantische 2D-skyrmion THE die ze hebben waargenomen. Op basis van hun theoretische berekeningen ontdekten ze dat de natuurlijke oxidatie van Fe₃Poort_2-𝑥 Het ferromagnetische kristal dat ze bestudeerden, versterkte een bekend skyrmion-stabiliserend magnetisch effect, de 2D-interface Dzyaloshinskii-Moriya-interactie (DMI). Vandaar dat door zorgvuldig de natuurlijke oxidatie en dikte van het Fe te controleren₃Poort_2-𝑥 kristal, vormden ze een betrouwbaar oxidatie-grensvlak met een aanzienlijke grensvlak-DMI, en toonden aan dat ze in staat waren een robuuste 2D-skyrmion THE te produceren binnen een breed temperatuurvenster. Dit is geen gemakkelijke taak omdat overmatige oxidatie ervoor kan zorgen dat de structuur van het kristal verslechtert, terwijl onvoldoende oxidatie het moeilijk maakt om een ​​DMI met een groot grensvlak te vormen. Beide uitersten hebben de neiging de vorming van skyrmionen en dus de THE te belemmeren.

Zwakke elektrische stromen volgen kleine magnetische skyrmionen

“Onze groep bestudeert sinds 2 magnetisme in 2014D-kristallen en we hebben veel nieuwe magnetische kristallen ontwikkeld, waaronder het kristal dat in dit werk is bestudeerd”, zegt Chang. “Zowel skyrmionen als het topologische Hall-effect zijn zeer interessante topologische fysische verschijnselen die typisch worden waargenomen in sommige magnetische systemen, maar die veel intrinsieke beperkingen hebben voor praktische toepassingen.

"We hebben dit onderzoek uitgevoerd om deze beperkingen in traditionele magnetische materialen te overwinnen."

De onderzoekers zeggen dat hun werk, dat gedetailleerd wordt beschreven in Chinese natuurkundebrieven, zou kunnen leiden tot een algemene methodologie voor het afstemmen van 2D DMI voor spintransportcontrole in 2D ferromagnetische kristallen. “Het bewijst ook dat oxidatie veel beter kan worden gebruikt om een ​​gigantische 2D THE te induceren dan zware metalen en andere zogenoemde sterke spin-orbit-koppelingsverbindingen die traditioneel worden gebruikt”, zegt Chang.

Het Huazhong-team onderzoekt nu het maken van racebaangeheugens en logische poortapparaten op basis van hun 2D skyrmion-systemen voor snelle en hoge dichtheid gegevensopslag, logische werking en wat de onderzoekers ‘nieuw concept kwantumberekening’ noemen.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/