Efectul Hall topologic gigant Skyrmion apare într-un cristal feromagnetic bidimensional la temperatura camerei – Physics World

Cercetătorii din China au produs un fenomen cunoscut sub numele de efectul Hall topologic gigant skyrmion într-un material bidimensional folosind doar o cantitate mică de curent pentru a manipula skyrmionii responsabili de acesta. Descoperirea, pe care o echipă de la Universitatea de Știință și Tehnologie Huazhong din Hubei a observat-o într-un cristal feromagnetic descoperit în 2022, vine datorită unei interacțiuni electronice de rotație cunoscută că stabilizează skyrmionii. Deoarece efectul a fost evident la o gamă largă de temperaturi, inclusiv temperatura camerei, s-ar putea dovedi util pentru dezvoltarea de dispozitive topologice și spintronice bidimensionale, cum ar fi memoria pistelor de curse, porțile logice și nano-oscilatorii de spin.

Skyrmionii sunt cvasiparticule cu o structură asemănătoare vortexului și există în multe materiale, în special în filme subțiri magnetice și multistrat. Sunt robuste la perturbații externe și, la doar zeci de nanometri, sunt mult mai mici decât domeniile magnetice folosite pentru a codifica datele pe hard disk-urile de astăzi. Acest lucru le face elementele de bază ideale pentru viitoarele tehnologii de stocare a datelor, cum ar fi amintirile „de curse”.

Skyrmionii pot fi în general identificați într-un material prin reperarea caracteristicilor neobișnuite (de exemplu, rezistivitate anormală) în efectul Hall, care apare atunci când electronii curg printr-un conductor în prezența unui câmp magnetic aplicat. Câmpul magnetic exercită o forță laterală asupra electronilor, ceea ce duce la o diferență de tensiune în conductor care este proporțională cu puterea câmpului. Dacă conductorul are un câmp magnetic intern sau o textură de spin magnetic, la fel ca un skyrmion, acest lucru afectează și electronii. În aceste circumstanțe, efectul Hall este cunoscut sub numele de efectul Hall topologic skyrmion (THE).

Pentru ca cvasiparticulele să fie utile ca platforme pentru dispozitive spintronice bidimensionale (2D), un THE mare este foarte de dorit, dar și skyrmionii trebuie să fie stabili pe o gamă largă de temperaturi și ușor de manipulat folosind curenți electrici mici. Până acum, a face skyrmioni cu toate aceste proprietăți a fost dificil, spune liderul echipei Haixin Chang.

„Cei mai cunoscuți skyrmioni și THE sunt stabilizați doar într-o fereastră de temperatură îngustă, fie sub sau peste temperatura camerei și necesită manipulare a curentului critic ridicat”, spune el. Lumea fizicii. „Este încă evaziv și foarte dificil să se realizeze un THE mare atât cu o fereastră largă de temperatură până la temperatura camerei, cât și cu un curent critic scăzut pentru manipularea skyrmionului, în special în sistemele 2D potrivite pentru integrări electronice și spintronice.”

Skyrmion 2D robust THE

Chang și colegii raportează acum un skyrmion 2D care pare să se potrivească. Nu numai că THE pe care îl observă rămâne robust pe o fereastră de temperatură care se întinde pe trei ordine de mărime, dar este și foarte mare, măsurând 5.4 µΩ·cm la 10 K și 0.15 µΩ·cm la 300 K. Aceasta este între unu și trei ordine de mărime. magnitudine mai mare decât sistemele Skyrmion 2D la temperatura camerei raportate anterior. Și asta nu este tot: cercetătorii au descoperit că skyrmion-ul lor 2D THE poate fi controlat cu o densitate critică scăzută de curent de aproximativ 6.2×10.⁵ A·cm^-2. Cercetătorii spun că acest lucru a fost posibil datorită mostrelor de înaltă calitate pe care le-au fabricat (care au un feromagnetism 2D controlabil fin), plus analizelor lor cantitative precise ale măsurătorilor electrice THE.

Chang crede că munca echipei deschide calea pentru 2D THE controlat electric la temperatura camerei și dispozitive practice spintronice și magnetoelectronice bazate pe Skyrmion. „Detecția electrică la temperatura camerei și manipularea skyrmionilor prin efectul Hall topologic sunt promițătoare pentru dispozitivele spintronice de putere redusă de generație următoare”, spune el.

De unde vine efectul

Echipa a analizat, de asemenea, motivele posibile pentru robustul skyrmion 2D uriaș pe care l-au observat. Pe baza calculelor lor teoretice, ei au descoperit că oxidarea naturală a Fe₃Poartă_2-𝑥 Cristalul feromagnetic pe care l-au studiat a îmbunătățit un efect magnetic de stabilizare a skyrmionului cunoscut numit interacțiunea interfacială 2D Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). Prin urmare, controlând cu atenție oxidarea naturală și grosimea Fe₃Poartă_2-𝑥 cristal, au format o interfață de oxidare fiabilă cu un DMI interfacial considerabil și au arătat că au fost capabili să producă un skyrmion 2D robust THE într-o fereastră largă de temperatură. Aceasta nu este o sarcină ușoară, deoarece oxidarea excesivă poate determina degradarea structurii cristalului, în timp ce oxidarea insuficientă face dificilă formarea unui DMI interfacial mare. Ambele extreme tind să împiedice formarea skyrmionilor și, astfel, THE.

Curenții electrici slabi urmăresc micii skyrmioni magnetici

„Grupul nostru a studiat magnetismul în cristale 2D din 2014 și am dezvoltat multe cristale magnetice noi, inclusiv cel studiat în această lucrare”, spune Chang. „Atât skyrmionii, cât și efectul Hall topologic sunt fenomene fizice topologice foarte interesante, care sunt observate în mod obișnuit în unele sisteme magnetice, dar care au o mulțime de limitări intrinseci pentru aplicații practice.

„Am efectuat acest studiu pentru a încerca să depășim aceste limitări în materialele magnetice tradiționale.”

Cercetătorii spun că munca lor, care este detaliată în Litere de fizică chineză, ar putea duce la o metodologie generală de reglare a DMI 2D pentru controlul transportului de spin în cristale feromagnetice 2D. „De asemenea, dovedește că oxidarea poate fi folosită pentru a induce un gigant 2D mult mai bun decât metalul greu și alți așa-numiți compuși puternici de cuplare spin-orbită folosiți în mod tradițional”, spune Chang.

Echipa Huazhong acum caută să creeze memorii pentru circuite de curse și dispozitive de porți logice bazate pe sistemele lor Skyrmion 2D pentru stocarea de date de mare viteză și densitate mare, operare logică și ceea ce cercetătorii numesc „calcul cuantic nou-concept”.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/