Gigantisk skyrmion topologisk Hall-effekt vises i en todimensjonal ferromagnetisk krystall ved romtemperatur - Physics World

Gigantisk skyrmion topologisk Hall-effekt vises i en todimensjonal ferromagnetisk krystall ved romtemperatur - Physics World

Tidsstempel: 15. desember 2023 12:00

Kule-og-stokk-diagrammer av Fe3GaTe2-x-krystallen og et diagram av en virvellignende skyrmion
Stabile skyrmioner: Første-prinsippberegninger av den skyrmion-stabiliserende Dzyaloshinskii-Moriya-interaksjonen i uberørt (nederst) og oksidert (øverst) Fe3Port2-x gjorde det mulig for teamet å forstå hvorfor skyrmionene som dannes (til høyre) er så robuste. (Med tillatelse: H Chang)

Forskere i Kina har produsert et fenomen kjent som den gigantiske skyrmion-topologiske Hall-effekten i et todimensjonalt materiale som bruker bare en liten mengde strøm for å manipulere skyrmionene som er ansvarlige for det. Funnet, som et team ved Huazhong University of Science and Technology i Hubei observerte i en ferromagnetisk krystall oppdaget i 2022, kommer takket være en elektronisk spinninteraksjon kjent for å stabilisere skyrmioner. Siden effekten var tydelig ved et bredt spekter av temperaturer, inkludert romtemperatur, kan det vise seg nyttig for å utvikle todimensjonale topologiske og spintroniske enheter som racerbaneminne, logiske porter og spinn-nano-oscillatorer.

Skyrmioner er kvasipartikler med en virvellignende struktur, og de finnes i mange materialer, spesielt magnetiske tynne filmer og flerlag. De er robuste mot eksterne forstyrrelser, og med bare titalls nanometer på tvers er de mye mindre enn de magnetiske domenene som brukes til å kode data på dagens harddisker. Det gjør dem til ideelle byggeklosser for fremtidige datalagringsteknologier som "racetrack"-minner.

Skyrmioner kan generelt identifiseres i et materiale ved å oppdage uvanlige trekk (for eksempel unormal resistivitet) i Hall-effekten, som oppstår når elektroner strømmer gjennom en leder i nærvær av et påført magnetfelt. Magnetfeltet utøver en sideveis kraft på elektronene, noe som fører til en spenningsforskjell i lederen som er proporsjonal med feltets styrke. Hvis lederen har et indre magnetfelt eller magnetisk spinntekstur, slik en skyrmion har, påvirker dette også elektronene. Under disse omstendighetene er Hall-effekten kjent som den skyrmion-topologiske Hall-effekten (THE).

For at kvasipartikler skal være nyttige som plattformer for todimensjonale (2D) spintroniske enheter, er en stor THE svært ønskelig, men skyrmionene må også være stabile over et bredt temperaturområde og enkle å manipulere ved bruk av små elektriske strømmer. Til nå har det vært vanskelig å lage skyrmioner med alle disse egenskapene, sier teamleder Haixin Chang.

"De fleste kjente skyrmioner og THE er stabilisert i bare et smalt temperaturvindu enten under eller over romtemperatur og krever høy kritisk strømmanipulering," forteller han Fysikkens verden. "Det er fortsatt unnvikende og svært utfordrende å oppnå en stor THE med både et bredt temperaturvindu opp til romtemperatur og en lav kritisk strøm for skyrmion-manipulasjon, spesielt i 2D-systemer egnet for elektroniske og spintroniske integrasjoner."

Robust 2D skyrmion THE

Chang og kollegene rapporterer nå om en 2D skyrmion som ser ut til å passe regningen. Ikke bare forblir THE-en de observerer robust over et temperaturvindu som strekker seg over tre størrelsesordener, den er også veldig stor, og måler 5.4 µΩ·cm ved 10 K og 0.15 µΩ·cm ved 300 K. Dette er mellom én og tre ordener på størrelse større enn tidligere rapportert romtemperatur 2D skyrmion-systemer. Og det er ikke alt: forskerne fant at deres 2D skyrmion THE kan kontrolleres med en lav kritisk strømtetthet på rundt bare 6.2×105 A·cm-2. Forskerne sier at dette var mulig på grunn av prøvene av høy kvalitet de produserte (som har en fint kontrollerbar 2D-ferromagnetisme), pluss deres nøyaktige kvantitative analyser av DE elektriske målingene.

Chang mener teamets arbeid baner vei for romtemperatur elektrisk kontrollert 2D THE og skyrmion-baserte praktiske spintroniske og magnetoelektroniske enheter. "Elektrisk deteksjon og manipulering av skyrmioner ved romtemperatur ved den topologiske Hall-effekten er lovende for neste generasjons laveffekts spintroniske enheter," sier han.

Hvor effekten kommer fra

Teamet fordypet seg også i mulige årsaker til den robuste gigantiske 2D skyrmion THE de observerte. Basert på deres teoretiske beregninger fant de at den naturlige oksidasjonen av Fe3Port2-𝑥 ferromagnetisk krystall de studerte forbedret en kjent skyrmion-stabiliserende magnetisk effekt kalt 2D grensesnitt Dzyaloshinskii-Moriya interaksjon (DMI). Derfor, ved nøye å kontrollere den naturlige oksidasjonen og tykkelsen av Fe3Port2-𝑥 krystall, dannet de et pålitelig oksidasjonsgrensesnitt med en betydelig grensesnitt-DMI, og viste at de var i stand til å produsere en robust 2D skyrmion THE innenfor et bredt temperaturvindu. Dette er ingen enkel oppgave fordi overdreven oksidasjon kan føre til at strukturen til krystallen brytes ned, mens utilstrekkelig oksidasjon gjør det vanskelig å danne en stor grensesnitt-DMI. Begge ytterpunktene har en tendens til å hindre dannelsen av skyrmioner og dermed THE.

"Gruppen vår har studert magnetisme i 2D-krystaller siden 2014, og vi har utviklet mange nye magnetiske krystaller, inkludert den som ble studert i dette arbeidet," sier Chang. "Både skyrmioner og den topologiske Hall-effekten er veldig interessante topologiske fysiske fenomener som vanligvis observeres i noen magnetiske systemer, men som har mange iboende begrensninger for praktiske anvendelser.

"Vi utførte denne studien for å prøve å overvinne disse begrensningene i tradisjonelle magnetiske materialer."

Forskerne sier arbeidet deres, som er detaljert i Kinesiske fysikkbokstaver, kan føre til en generell metodikk for innstilling av 2D DMI for spinntransportkontroll i 2D ferromagnetiske krystaller. "Det beviser også at oksidasjon kan brukes til å indusere en gigantisk 2D mye bedre enn tungmetall og andre såkalte sterke spin-orbit-koblingsforbindelser som tradisjonelt brukes," sier Chang.

Huazhong-teamet ser nå på å lage racerbaneminner og logiske portenheter basert på deres 2D skyrmion-systemer for datalagring med høy hastighet og høy tetthet, logisk drift og det forskerne kaller "kvanteberegning med nytt konsept".

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden