O efeito Hall topológico do skyrmion gigante aparece em um cristal ferromagnético bidimensional à temperatura ambiente – Physics World

Pesquisadores na China produziram um fenômeno conhecido como efeito Hall topológico do skyrmion gigante em um material bidimensional usando apenas uma pequena quantidade de corrente para manipular os skyrmions responsáveis ​​por isso. A descoberta, que uma equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia Huazhong, em Hubei, observou em um cristal ferromagnético descoberto em 2022, ocorre graças a uma interação de spin eletrônico conhecida por estabilizar skyrmions. Como o efeito era aparente em uma ampla faixa de temperaturas, incluindo a temperatura ambiente, poderia ser útil para o desenvolvimento de dispositivos topológicos e spintrônicos bidimensionais, como memória de pista de corrida, portas lógicas e nano-osciladores de spin.

Skyrmions são quasipartículas com estrutura semelhante a um vórtice e existem em muitos materiais, principalmente filmes finos magnéticos e multicamadas. Eles são robustos a perturbações externas e, com apenas dezenas de nanômetros de diâmetro, são muito menores que os domínios magnéticos usados ​​para codificar dados nos discos rígidos atuais. Isso os torna blocos de construção ideais para futuras tecnologias de armazenamento de dados, como memórias de “pista de corrida”.

Skyrmions geralmente podem ser identificados em um material detectando características incomuns (por exemplo, resistividade anormal) no efeito Hall, que ocorre quando elétrons fluem através de um condutor na presença de um campo magnético aplicado. O campo magnético exerce uma força lateral sobre os elétrons, levando a uma diferença de tensão no condutor que é proporcional à intensidade do campo. Se o condutor tiver um campo magnético interno ou textura de spin magnético, como um skyrmion, isso também afetará os elétrons. Nessas circunstâncias, o efeito Hall é conhecido como efeito Hall topológico skyrmion (THE).

Para que as quasipartículas sejam úteis como plataformas para dispositivos spintrônicos bidimensionais (2D), um THE grande é altamente desejável, mas os skyrmions também precisam ser estáveis ​​em uma ampla faixa de temperatura e fáceis de manipular usando pequenas correntes elétricas. Até agora, fazer skyrmions com todas essas propriedades tem sido difícil, diz o líder da equipe Haixin Chang.

“A maioria dos skyrmions conhecidos e o THE são estabilizados apenas em uma janela estreita de temperatura, abaixo ou acima da temperatura ambiente, e requerem alta manipulação de corrente crítica”, diz ele. Mundo da física. “Ainda é difícil e muito desafiador alcançar um grande THE com uma ampla janela de temperatura até a temperatura ambiente e uma corrente crítica baixa para manipulação de skyrmion, especialmente em sistemas 2D adequados para integrações eletrônicas e spintrônicas.”

Skyrmion 2D robusto THE

Chang e seus colegas estão agora relatando um skyrmion 2D que parece se adequar ao projeto. O THE que eles observam não apenas permanece robusto em uma janela de temperatura que abrange três ordens de magnitude, mas também é muito grande, medindo 5.4 µΩ·cm a 10 K e 0.15 µΩ·cm a 300 K. Isso está entre uma e três ordens de magnitude maior do que os sistemas skyrmion 2D em temperatura ambiente relatados anteriormente. E isso não é tudo: os pesquisadores descobriram que seu skyrmion 2D THE pode ser controlado com uma densidade de corrente crítica baixa, de cerca de apenas 6.2×10⁵ A·cm^-2. Os pesquisadores dizem que isso foi possível devido às amostras de alta qualidade que fabricaram (que possuem um ferromagnetismo 2D finamente controlável), além de suas análises quantitativas precisas das medições elétricas THE.

Chang acha que o trabalho da equipe abre caminho para dispositivos práticos spintrônicos e magnetoeletrônicos baseados em skyrmion, 2D THE controlados eletricamente em temperatura ambiente. “A detecção elétrica em temperatura ambiente e a manipulação de skyrmions pelo efeito Hall topológico são promissoras para dispositivos spintrônicos de baixa potência de próxima geração”, diz ele.

De onde vem o efeito

A equipe também investigou as possíveis razões para o robusto skyrmion 2D gigante THE que observaram. Com base em seus cálculos teóricos, descobriram que a oxidação natural do Fe₃Portão_2-𝑥 O cristal ferromagnético que eles estudaram melhorou um conhecido efeito magnético estabilizador de skyrmion chamado interação interfacial 2D Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). Assim, controlando cuidadosamente a oxidação natural e a espessura do Fe₃Portão_2-𝑥 cristal, eles formaram uma interface de oxidação confiável com um DMI interfacial considerável e mostraram que eram capazes de produzir um skyrmion 2D robusto THE dentro de uma ampla janela de temperatura. Esta não é uma tarefa fácil porque a oxidação excessiva pode causar a degradação da estrutura do cristal, enquanto a oxidação insuficiente dificulta a formação de um grande DMI interfacial. Ambos os extremos tendem a dificultar a formação de skyrmions e, portanto, do THE.

Correntes elétricas fracas rastreiam minúsculos skyrmions magnéticos

“Nosso grupo estuda magnetismo em cristais 2D desde 2014 e desenvolvemos muitos novos cristais magnéticos, incluindo o estudado neste trabalho”, diz Chang. “Tanto os skyrmions quanto o efeito Hall topológico são fenômenos físicos topológicos muito interessantes que são tipicamente observados em alguns sistemas magnéticos, mas que têm muitas limitações intrínsecas para aplicações práticas.

“Conduzimos este estudo para tentar superar essas limitações nos materiais magnéticos tradicionais.”

Os pesquisadores afirmam que seu trabalho, detalhado em Letras de Física Chinesa, poderia levar a uma metodologia geral para ajustar DMI 2D para controle de transporte de spin em cristais ferromagnéticos 2D. “Isso também prova que a oxidação pode ser usada para induzir um THE 2D gigante muito melhor do que o metal pesado e outros compostos de acoplamento forte spin-órbita tradicionalmente empregados”, diz Chang.

A equipe Huazhong está agora pensando em fabricar memórias de pista e dispositivos de portas lógicas baseados em seus sistemas skyrmion 2D para armazenamento de dados de alta velocidade e alta densidade, operação lógica e o que os pesquisadores chamam de “computação quântica de novo conceito”.

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