Gigantyczny topologiczny efekt Halla Skyrmiona pojawia się w dwuwymiarowym krysztale ferromagnetycznym w temperaturze pokojowej – Świat Fizyki

Gigantyczny topologiczny efekt Halla Skyrmiona pojawia się w dwuwymiarowym krysztale ferromagnetycznym w temperaturze pokojowej – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 15 grudnia 2023 12:00

Diagramy kulkowe i kijowe kryształu Fe3GaTe2-x oraz diagram wirowego skyrmionu
Stabilne skyrmiony: obliczenia pierwszych zasad stabilizującej skyrmiony interakcji Dzialoshinskii – Moriya w nieskazitelnym (na dole) i utlenionym (na górze) Fe3Brama2-x umożliwiło zespołowi zrozumienie, dlaczego tworzące się skyrmiony (po prawej) są tak wytrzymałe. (Dzięki uprzejmości: H. Chang)

Naukowcy z Chin wytworzyli zjawisko znane jako topologiczny efekt Halla gigantycznego skyrmiona w dwuwymiarowym materiale, wykorzystując jedynie niewielką ilość prądu do manipulowania odpowiedzialnymi za niego skyrmionami. Do odkrycia, które zespół z Uniwersytetu Naukowo-Technologicznego Huazhong w Hubei zaobserwował w krysztale ferromagnetycznym odkrytym w 2022 roku, doszło dzięki elektronicznej interakcji spinowej, o której wiadomo, że stabilizuje skyrmiony. Ponieważ efekt był widoczny w szerokim zakresie temperatur, w tym w temperaturze pokojowej, może okazać się przydatny w opracowywaniu dwuwymiarowych urządzeń topologicznych i spintronicznych, takich jak pamięć toru wyścigowego, bramki logiczne i nanooscylatory spinowe.

Skyrmiony to kwazicząstki o strukturze przypominającej wir i występują w wielu materiałach, zwłaszcza w cienkich warstwach magnetycznych i wielowarstwowych. Są odporne na zakłócenia zewnętrzne, a przy średnicy zaledwie kilkudziesięciu nanometrów są znacznie mniejsze niż domeny magnetyczne używane do kodowania danych na współczesnych dyskach twardych. To czyni je idealnymi elementami składowymi przyszłych technologii przechowywania danych, takich jak pamięci „wyścigowe”.

Skyrmiony można ogólnie zidentyfikować w materiale poprzez wykrycie niezwykłych cech (na przykład nieprawidłowej rezystywności) w efekcie Halla, który występuje, gdy elektrony przepływają przez przewodnik w obecności przyłożonego pola magnetycznego. Pole magnetyczne wywiera boczną siłę na elektrony, co prowadzi do różnicy napięcia w przewodniku, która jest proporcjonalna do natężenia pola. Jeśli przewodnik ma wewnętrzne pole magnetyczne lub teksturę spinu magnetycznego, jak ma to miejsce w przypadku skyrmionu, wpływa to również na elektrony. W takich okolicznościach efekt Halla jest znany jako topologiczny efekt Halla Skyrmiona (THE).

Aby kwazicząstki nadawały się jako platformy dla dwuwymiarowych (2D) urządzeń spintronicznych, duże THE jest wysoce pożądane, ale skyrmiony muszą być również stabilne w szerokim zakresie temperatur i łatwe do manipulowania przy użyciu małych prądów elektrycznych. Do tej pory tworzenie skyrmionów o tych wszystkich właściwościach było trudne, mówi lider zespołu Haixin Chang.

„Większość znanych skyrmionów i THE są stabilizowane jedynie w wąskim przedziale temperatur, poniżej lub powyżej temperatury pokojowej i wymagają manipulacji wysokim prądem krytycznym” – mówi Świat Fizyki. „Osiągnięcie dużego THE z szerokim zakresem temperatur aż do temperatury pokojowej i niskim prądem krytycznym do manipulacji skyrmionami jest nadal nieuchwytne i bardzo trudne, szczególnie w systemach 2D odpowiednich do integracji elektronicznej i spintronicznej”.

Solidny skyrmion 2D THE

Chang i współpracownicy zgłaszają obecnie skyrmiona 2D, który wydaje się pasować do tego projektu. Obserwowany przez nich THE nie tylko pozostaje solidny w oknie temperatur obejmującym trzy rzędy wielkości, ale jest także bardzo duży, mierząc 5.4 µΩ·cm w temperaturze 10 K i 0.15 µΩ·cm w temperaturze 300 K. Jest to od jednego do trzech rzędów magnitudo większe niż wcześniej zgłaszane systemy Skyrmion 2D w temperaturze pokojowej. Ale to nie wszystko: naukowcy odkryli, że ich dwuwymiarowy skyrmion THE można kontrolować przy niskiej krytycznej gęstości prądu wynoszącej zaledwie około 2×6.25 A·cm-2. Naukowcy twierdzą, że było to możliwe dzięki wysokiej jakości wytworzonym próbkom (które charakteryzują się precyzyjnie kontrolowanym ferromagnetyzmem 2D) oraz precyzyjnym analizom ilościowym pomiarów elektrycznych THE.

Chang uważa, że ​​praca zespołu toruje drogę praktycznym urządzeniom spintronicznym i magnetoelektronicznym sterowanym elektrycznie w temperaturze pokojowej 2D THE i skyrmionem. „Wykrywanie elektryczne w temperaturze pokojowej i manipulowanie skyrmionami za pomocą topologicznego efektu Halla są obiecujące w przypadku urządzeń spintronicznych małej mocy nowej generacji” – mówi.

Skąd bierze się efekt

Zespół zbadał także możliwe przyczyny zaobserwowanego przez siebie potężnego, gigantycznego skyrmiona 2D THE. Na podstawie obliczeń teoretycznych odkryli, że naturalne utlenianie Fe3Brama2-𝑥 Badany przez nich kryształ ferromagnetyczny wzmocnił znany efekt magnetyczny stabilizujący skyrmion, zwany dwuwymiarową interakcją międzyfazową Dzialoshinskii-Moriya (DMI). Dlatego też, dokładnie kontrolując naturalne utlenianie i grubość Fe3Brama2-𝑥 kryształ, utworzyli niezawodny interfejs utleniania ze znacznym międzyfazowym DMI i wykazali, że byli w stanie wytworzyć solidny dwuwymiarowy skyrmion THE w szerokim oknie temperaturowym. Nie jest to łatwe zadanie, ponieważ nadmierne utlenianie może spowodować degradację struktury kryształu, natomiast niedostateczne utlenianie utrudnia utworzenie dużego międzyfazowego DMI. Obie skrajności mają tendencję do utrudniania tworzenia się skyrmionów, a tym samym THE.

„Nasza grupa bada magnetyzm w kryształach 2D od 2014 roku i opracowaliśmy wiele nowych kryształów magnetycznych, w tym ten badany w tej pracy” – mówi Chang. „Zarówno skyrmiony, jak i topologiczny efekt Halla to bardzo interesujące topologiczne zjawiska fizyczne, które zwykle obserwuje się w niektórych układach magnetycznych, ale które mają wiele wewnętrznych ograniczeń w praktycznych zastosowaniach.

„Przeprowadziliśmy to badanie, aby spróbować przezwyciężyć te ograniczenia w przypadku tradycyjnych materiałów magnetycznych”.

Naukowcy twierdzą, że ich praca, która jest szczegółowo opisana w Chińskie litery fizyki, może prowadzić do ogólnej metodologii dostrajania 2D DMI do kontroli transportu spinu w dwuwymiarowych kryształach ferromagnetycznych. „Dowodzi to również, że utlenianie można wykorzystać do indukowania gigantycznego 2D THE znacznie lepiej niż metale ciężkie i inne tradycyjnie stosowane tak zwane silne związki sprzęgające spin-orbita” – mówi Chang.

Zespół Huazhonga obecnie zastanawia się nad stworzeniem pamięci torowych i urządzeń bramek logicznych w oparciu o swoje systemy skyrmion 2D do szybkiego przechowywania danych o dużej gęstości, operacji logicznych i tego, co naukowcy nazywają „obliczeniami kwantowymi nowej koncepcji”.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki