Гигантский топологический эффект Холла скирмиона проявляется в двумерном ферромагнитном кристалле при комнатной температуре

Исследователи в Китае создали явление, известное как гигантский топологический эффект Холла скирмионов, в двумерном материале, используя лишь небольшое количество тока для манипулирования ответственными за него скирмионами. Открытие, которое команда Хуачжунского университета науки и технологий в Хубэе наблюдала в ферромагнитном кристалле, обнаруженном в 2022 году, произошло благодаря электронному спиновому взаимодействию, которое, как известно, стабилизирует скирмионы. Поскольку эффект был очевиден в широком диапазоне температур, включая комнатную, он может оказаться полезным для разработки двумерных топологических и спинтронных устройств, таких как память на беговой дорожке, логические вентили и спиновые наногенераторы.

Скирмионы — это квазичастицы с вихревой структурой, которые существуют во многих материалах, особенно в тонких магнитных пленках и мультислоях. Они устойчивы к внешним воздействиям, а их диаметр составляет всего несколько десятков нанометров, что намного меньше, чем магнитные домены, используемые для кодирования данных на современных жестких дисках. Это делает их идеальными строительными блоками для будущих технологий хранения данных, таких как память на гоночной трассе.

Скирмионы обычно можно идентифицировать в материале, обнаружив необычные особенности (например, аномальное удельное сопротивление) эффекта Холла, который возникает, когда электроны текут через проводник в присутствии приложенного магнитного поля. Магнитное поле оказывает боковое воздействие на электроны, что приводит к разнице напряжений в проводнике, пропорциональной силе поля. Если проводник имеет внутреннее магнитное поле или магнитную спиновую текстуру, как у скирмиона, это также влияет на электроны. В этих обстоятельствах эффект Холла известен как топологический эффект Холла скирмиона (THE).

Чтобы квазичастицы могли быть полезны в качестве платформ для двумерных (2D) устройств спинтроники, крайне желательно иметь большой ТЭН, но скирмионы также должны быть стабильными в широком диапазоне температур и ими легко манипулировать с помощью небольших электрических токов. До сих пор создавать скирмионы со всеми этими свойствами было сложно, говорит руководитель группы Хайсин Чанг.

«Большинство известных скирмионов и THE стабилизируются только в узком температурном диапазоне, ниже или выше комнатной температуры, и требуют манипуляций с высоким критическим током», — говорит он. Мир физики. «По-прежнему неуловимо и очень сложно достичь большого ТЭН с широким температурным окном до комнатной температуры и низким критическим током для манипулирования скирмионами, особенно в 2D-системах, подходящих для электронной и спинтронной интеграции».

Прочный 2D Скирмион

Чанг и его коллеги теперь сообщают о 2D-скирмионе, который, кажется, отвечает всем требованиям. ТЭН, который они наблюдают, не только остается устойчивым в температурном окне, охватывающем три порядка величины, но и очень велик: 5.4 мкОм·см при 10 К и 0.15 мкОм·см при 300 К. Это составляет от одного до трех порядков магнитуда больше, чем ранее сообщалось в 2D-системах скирмиона при комнатной температуре. И это еще не все: исследователи обнаружили, что их 2D-скирмион THE можно контролировать с помощью низкой критической плотности тока, всего лишь 6.2×10.⁵ А·см^-2. Исследователи говорят, что это стало возможным благодаря изготовленным ими высококачественным образцам (которые обладают точно контролируемым двумерным ферромагнетизмом), а также их точному количественному анализу электрических измерений THE.

Чанг считает, что работа команды прокладывает путь для создания 2D THE с электрическим управлением при комнатной температуре и практических устройств спинтроники и магнитоэлектроники на основе скирмиона. «Электрическое обнаружение при комнатной температуре и манипулирование скирмионами с помощью топологического эффекта Холла перспективны для маломощных устройств спинтроники следующего поколения», — говорит он.

Откуда эффект

Команда также углубилась в возможные причины наблюдаемого ими мощного гигантского 2D-скирмиона THE. На основании своих теоретических расчетов они обнаружили, что естественное окисление Fe₃Ворота_2-𝑥 Ферромагнитный кристалл, который они изучали, усиливал известный стабилизирующий скирмион магнитный эффект, называемый двумерным межфазным взаимодействием Дзялошинского-Мория (ДМИ). Следовательно, тщательно контролируя естественное окисление и толщину Fe₃Ворота_2-𝑥 В кристалле они сформировали надежный интерфейс окисления со значительным межфазным DMI и показали, что они способны создавать надежный 2D-скирмион THE в широком температурном диапазоне. Это непростая задача, поскольку чрезмерное окисление может привести к ухудшению структуры кристалла, а недостаточное окисление затрудняет формирование большого межфазного ДМИ. Обе крайности имеют тенденцию препятствовать образованию скирмионов и, следовательно, ТЭ.

Слабые электрические токи отслеживают крошечные магнитные скирмионы

«Наша группа изучает магнетизм в 2D-кристаллах с 2014 года, и мы разработали множество новых магнитных кристаллов, включая тот, который изучается в этой работе», — говорит Чанг. «И скирмионы, и топологический эффект Холла — очень интересные топологические физические явления, которые обычно наблюдаются в некоторых магнитных системах, но имеют множество внутренних ограничений для практического применения.

«Мы провели это исследование, чтобы попытаться преодолеть эти ограничения в традиционных магнитных материалах».

Исследователи рассказывают о своей работе, которая подробно описана в Письма о китайской физике, может привести к созданию общей методологии настройки 2D DMI для управления спиновым транспортом в 2D ферромагнитных кристаллах. «Это также доказывает, что окисление можно использовать для создания гигантского 2D THE гораздо лучше, чем тяжелый металл и другие традиционно используемые соединения с сильным спин-орбитальным взаимодействием», — говорит Чанг.

Команда Хуачжун в настоящее время занимается созданием гоночных запоминающих устройств и устройств с логическими вентилями на основе своих 2D-систем Skyrmion для высокоскоростного и плотного хранения данных, логических операций и того, что исследователи называют «новой концепцией квантовых вычислений».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/