Ogromen skyrmion topološki Hallov učinek se pojavi v dvodimenzionalnem feromagnetnem kristalu pri sobni temperaturi – Physics World

Raziskovalci na Kitajskem so v dvodimenzionalnem materialu ustvarili pojav, znan kot velikanski skyrmion topološki Hallov učinek, z uporabo le majhne količine toka za manipulacijo skyrmionov, odgovornih za to. Do odkritja, ki ga je ekipa na Univerzi za znanost in tehnologijo Huazhong v Hubeiju opazila v feromagnetnem kristalu, odkritem leta 2022, je prišlo zaradi elektronske interakcije vrtenja, za katero je znano, da stabilizira skyrmione. Ker je bil učinek očiten pri širokem razponu temperatur, vključno s sobno temperaturo, bi se lahko izkazal za uporabnega za razvoj dvodimenzionalnih topoloških in spintroničnih naprav, kot so pomnilnik dirkališča, logična vrata in spin nano-oscilatorji.

Skyrmioni so kvazidelci z vrtinčasto strukturo in obstajajo v številnih materialih, predvsem v magnetnih tankih filmih in večplastih. So robustni na zunanje motnje in s samo desetinami nanometrov v premeru so veliko manjši od magnetnih domen, ki se uporabljajo za kodiranje podatkov v današnjih trdih diskih. Zaradi tega so idealni gradniki za prihodnje tehnologije shranjevanja podatkov, kot so spomini na dirkališčih.

Skyrmione je na splošno mogoče prepoznati v materialu tako, da opazijo nenavadne značilnosti (na primer nenormalno upornost) v Hallovem učinku, ki se pojavi, ko elektroni tečejo skozi prevodnik v prisotnosti uporabljenega magnetnega polja. Magnetno polje izvaja bočno silo na elektrone, kar vodi do napetostne razlike v prevodniku, ki je sorazmerna z jakostjo polja. Če ima prevodnik notranje magnetno polje ali teksturo magnetnega vrtenja, kot ima skyrmion, to vpliva tudi na elektrone. V teh okoliščinah je Hallov učinek znan kot skyrmionov topološki Hallov učinek (THE).

Da bi bili kvazidelci uporabni kot platforme za dvodimenzionalne (2D) spintronske naprave, je velik THE zelo zaželen, vendar morajo biti skyrmioni tudi stabilni v širokem temperaturnem območju in jih je enostavno manipulirati z uporabo majhnih električnih tokov. Do zdaj je bilo izdelovanje skyrmionov z vsemi temi lastnostmi težko, pravi vodja ekipe Haixin Chang.

"Večina znanih skyrmionov in THE se stabilizira le v ozkem temperaturnem oknu pod ali nad sobno temperaturo in zahteva manipulacijo z visokim kritičnim tokom," pravi. Svet fizike. "Še vedno je nedosegljivo in zelo zahtevno doseči velik THE s širokim temperaturnim oknom do sobne temperature in nizkim kritičnim tokom za manipulacijo skyrmion, zlasti v 2D sistemih, primernih za elektronske in spintronske integracije."

Robusten 2D skyrmion THE

Chang in sodelavci zdaj poročajo o 2D skyrmionu, za katerega se zdi, da ustreza. Ne le, da THE, ki ga opazujejo, ostane robusten v temperaturnem oknu, ki obsega tri velikostne rede, je tudi zelo velik, saj meri 5.4 µΩ·cm pri 10 K in 0.15 µΩ·cm pri 300 K. To je med enim in tremi redi magnituda večja od prej poročanih 2D sistemov skyrmion pri sobni temperaturi. In to še ni vse: raziskovalci so ugotovili, da je njihov 2D skyrmion THE mogoče nadzorovati z nizko kritično gostoto toka okoli samo 6.2 × 10⁵ A·cm^-2. Raziskovalci pravijo, da je bilo to mogoče zaradi visokokakovostnih vzorcev, ki so jih izdelali (ki imajo natančno nadzorovan 2D feromagnetizem), in njihove natančne kvantitativne analize električnih meritev THE.

Chang meni, da delo ekipe utira pot električnim 2D THE pri sobni temperaturi in praktičnim spintroniškim in magnetoelektronskim napravam na osnovi skyrmiona. "Električna detekcija pri sobni temperaturi in manipulacija skyrmionov s topološkim Hallovim učinkom sta obetavna za spintronske naprave z nizko porabo naslednje generacije," pravi.

Od kod izvira učinek

Ekipa se je poglobila tudi v možne razloge za robustni velikanski 2D skyrmion THE, ki so ga opazili. Na podlagi svojih teoretičnih izračunov so ugotovili, da naravna oksidacija Fe₃Vrata_2-𝑥 feromagnetni kristal, ki so ga preučevali, je okrepil znani magnetni učinek stabilizacije skyrmiona, imenovan 2D medfazna interakcija Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). Zato s skrbnim nadzorom naravne oksidacije in debeline Fe₃Vrata_2-𝑥 kristalom so oblikovali zanesljiv oksidacijski vmesnik s precejšnjim medfaznim DMI in pokazali, da so sposobni izdelati robusten 2D skyrmion THE znotraj širokega temperaturnega okna. To ni lahka naloga, ker lahko prekomerna oksidacija povzroči degradacijo strukture kristala, medtem ko nezadostna oksidacija oteži oblikovanje velikega medfaznega DMI. Obe skrajnosti ponavadi ovirata nastanek skyrmionov in s tem THE.

Šibki električni tokovi sledijo drobnim magnetnim skyrmionom

"Naša skupina preučuje magnetizem v 2D kristalih od leta 2014 in razvili smo veliko novih magnetnih kristalov, vključno s tistim, ki smo ga proučevali v tem delu," pravi Chang. »Tako skyrmion kot topološki Hallov učinek sta zelo zanimiva topološka fizikalna pojava, ki ju običajno opazimo v nekaterih magnetnih sistemih, vendar imata veliko intrinzičnih omejitev za praktično uporabo.

"To študijo smo izvedli, da bi poskusili premagati te omejitve v tradicionalnih magnetnih materialih."

Raziskovalci pravijo, da je njihovo delo, ki je podrobno opisano v Kitajska pisma fizike, bi lahko vodilo do splošne metodologije za uravnavanje 2D DMI za kontrolo transporta vrtenja v 2D feromagnetnih kristalih. "Prav tako dokazuje, da je oksidacijo mogoče uporabiti za indukcijo velikanskega 2D THE veliko bolje kot težke kovine in druge tako imenovane močne spojine za spin-orbito, ki se tradicionalno uporabljajo," pravi Chang.

Ekipa Huazhong zdaj razmišlja o izdelavi spominov na dirkališčih in naprav z logičnimi vrati, ki temeljijo na njihovih sistemih 2D skyrmion za shranjevanje podatkov visoke hitrosti in visoke gostote, logično delovanje in tisto, kar raziskovalci imenujejo "kvantno računanje z novim konceptom".

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/