Quasideeltjes genaamd meronen verschijnen voor het eerst in een synthetische antiferromagneet – Physics World

Een internationaal team van onderzoekers heeft voor het eerst quasideeltjes, meronen genaamd, geïdentificeerd in een synthetische antiferromagneet. Het resultaat zou kunnen leiden tot nieuwe concepten voor spintronica-apparaten, die het magnetische moment van het elektron, of spin, gebruiken om informatie op te slaan en te verwerken.

Wetenschappers proberen op deze manier elektronenspins te exploiteren omdat op spintronica gebaseerde computergeheugenapparaten sneller en compacter zouden zijn dan de huidige puur elektronische apparaten. De vraag hoe dergelijke apparaten het beste kunnen worden gebouwd, heeft tot nu toe geen definitief antwoord, maar veel recent onderzoek heeft zich gericht op structuren die skyrmionen worden genoemd als potentiële bouwstenen. Deze structuren zijn quasideeltjes die bestaan ​​uit talloze elektronenspins en kunnen worden gezien als tweedimensionale wervelingen (of ‘spintexturen’) binnen een materiaal.

Skyrmionen komen voor in veel magnetische materialen, waaronder kobalt-ijzer-silicium en de dunne mangaan-silicidefilms waarin ze voor het eerst werden ontdekt. Het zijn aantrekkelijke spintronica-kandidaten omdat ze bestand zijn tegen externe verstoringen, waardoor ze bijzonder stabiel zijn bij het opslaan en verwerken van de informatie die ze bevatten. Met een doorsnede van slechts tientallen nanometers zijn ze ook veel kleiner dan de magnetische domeinen die worden gebruikt om gegevens op de huidige schijfstations te coderen, waardoor ze ideaal zijn voor toekomstige technologieën voor gegevensopslag, zoals 'racetrack'-geheugens.

Net als skyrmions bestaan ​​merons uit talloze individuele spins. In tegenstelling tot hen zijn hun verstrooide magnetische velden minuscuul, wat ultrasnelle operaties en een nog hogere informatieopslagdichtheid binnen een apparaat mogelijk zou maken. Tot nu toe zijn meronen echter alleen waargenomen in natuurlijke antiferromagneten, waar ze moeilijk te analyseren en te manipuleren zijn gebleken.

Minimale netto magnetische momenten

Onderzoekers bij Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) in Duitsland; Tohoku University, Japan; en de ALBA Synchrotron-lichtfaciliteit in Spanje hebben nu meronen geïdentificeerd in synthetische antiferromagneten gemaakt van meerlaagse stapels van onderling gekoppelde individuele ferromagnetische lagen. In tegenstelling tot natuurlijke antiferromagneten kunnen deze synthetische materialen op een goed gecontroleerde manier worden bereid met behulp van gevestigde technieken zoals sputterdepositie.

Dankzij deze voortreffelijke controle kon het team de interactie tussen de verschillende lagen aanpassen en daardoor hun netto magnetische momenten minimaliseren. Dit geeft de systeemvoordelen van zowel antiferromagneten (waarin elektronenspins de neiging hebben antiparallel aan elkaar uit te lijnen) als ferromagneten (die parallelle elektronenspins hebben). Voorbeelden hiervan zijn niet alleen magnetische velden met een laag strooiniveau, maar ook stabiele homochirale texturen en snelle spindynamiek binnen een polykristallijne omgeving, legt uit Mona Bhukta, een PhD-student bij JGU en medeleider van de studie.

“In ons werk hebben we met succes deze spintexturen in synthetische antiferromagneten gestabiliseerd met een zeer kleine anisotropie in het makkelijke vlak (zodat de voorkeursoriëntatie van de magnetisatie in het filmvlak ligt) en hebben we hun ingewikkelde structuren in beeld gebracht door verschillende beeldvormingsmethoden te combineren,” zegt Bukhta. De methoden die ze gebruikten omvatten magnetische krachtmicroscopie en scanning-elektronenmicroscopie met polarisatieanalyse, evenals elementspecifieke foto-emissie-elektronenmicroscopie met behulp van röntgenmagnetisch circulair dichroïsme.

Dankzij deze beeldvormingstechnieken identificeerde het team meerdere verschillende spintexturen in het gestapelde materiaal. Dit was niet eenvoudig, omdat de onderzoekers de quasideeltjes moesten afbeelden op een manier die alle drie de componenten van de magnetisatievector oplost voordat ze ondubbelzinnig de aanwezigheid van meronen konden aantonen. De onderzoekers ontwikkelden ook een analytisch model om de mechanismen op te helderen die dergelijke structuren in hun systeem stabiliseren. Het doel in dit geval was om de optimale dikte van elke laag te bepalen en de beste ‘gastheermaterialen’ voor meronen te identificeren.

Gerelateerde structuren werden ook waargenomen

Naast het identificeren van meronen observeerde het team ook gerelateerde structuren zoals antimeronen en topologisch gestabiliseerde bimeronen in hun synthetische antiferromagneten. Anders dan bij skyrmionen zijn de richting van de netto magnetisatie en het opkomende veld geproduceerd door bimeronen onderling orthogonaal, legt Bhukta uit.

“Deze karakteristieke eigenschap stelt ons in staat om bijvoorbeeld het topologische Hall-effect direct te onderzoeken en te manipuleren met behulp van de meron-spintexturen”, vertelt ze. Natuurkunde wereld. Dit effect treedt op wanneer elektronen door een geleider stromen in de aanwezigheid van een magnetisch veld. Het aangelegde magnetische veld oefent een zijwaartse kracht uit op de elektronen, wat leidt tot een spanningsverschil dat evenredig is met de sterkte van het veld. Als de geleider een intern magnetisch veld of magnetische spintextuur heeft, heeft dit ook invloed op de elektronen.

"De Hall-signalen van bimeronen bieden een directe manier om topologie te detecteren en te kwantificeren, en bieden ons de opwindende mogelijkheid om op magnetische topologie gebaseerde technologieën te ontwikkelen waarin topologie dient als drager van informatie", zegt Bhukta.

De onderzoekers, die hun werk in detail beschrijven Nature Communications, zijn nu van plan de interactie tussen meronen en externe magnetische velden en elektrische stromen te onderzoeken. “We willen ook graag bestuderen hoe ze onderling omgaan”, zegt Bhukta.

• 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/quasiparticles-called-merons-appear-in-a-synthetic-antiferromagnet-for-the-first-time/