Jätte skyrmion topologisk Hall-effekt uppträder i en tvådimensionell ferromagnetisk kristall vid rumstemperatur - Physics World

Forskare i Kina har producerat ett fenomen som kallas den gigantiska skyrmion-topologiska Hall-effekten i ett tvådimensionellt material som använder endast en liten mängd ström för att manipulera skyrmionerna som är ansvariga för det. Fyndet, som ett team vid Huazhong University of Science and Technology i Hubei observerade i en ferromagnetisk kristall upptäckt 2022, kommer till stånd tack vare en elektronisk spin-interaktion som är känd för att stabilisera skyrmioner. Eftersom effekten var uppenbar vid ett brett temperaturområde, inklusive rumstemperatur, kan det visa sig vara användbart för att utveckla tvådimensionella topologiska och spintroniska enheter som racerbanminne, logiska grindar och spinnano-oscillatorer.

Skyrmioner är kvasipartiklar med en virvelliknande struktur, och de finns i många material, särskilt magnetiska tunna filmer och flerskikt. De är robusta mot yttre störningar, och med bara tiotals nanometer i diameter är de mycket mindre än de magnetiska domänerna som används för att koda data på dagens hårddiskar. Det gör dem till idealiska byggstenar för framtida datalagringstekniker som "racetrack"-minnen.

Skyrmioner kan i allmänhet identifieras i ett material genom att upptäcka ovanliga egenskaper (till exempel onormal resistivitet) i Hall-effekten, som uppstår när elektroner strömmar genom en ledare i närvaro av ett pålagt magnetfält. Magnetfältet utövar en sidledes kraft på elektronerna, vilket leder till en spänningsskillnad i ledaren som är proportionell mot fältets styrka. Om ledaren har ett inre magnetfält eller magnetisk spinnstruktur, som en skyrmion har, påverkar detta även elektronerna. Under dessa omständigheter är Hall-effekten känd som skyrmion-topologiska Hall-effekten (THE).

För att kvasipartiklar ska vara användbara som plattformar för tvådimensionella (2D) spintroniska enheter är en stor THE mycket önskvärd, men skyrmionerna måste också vara stabila över ett brett temperaturområde och lätta att manipulera med hjälp av små elektriska strömmar. Fram till nu har det varit svårt att tillverka skyrmioner med alla dessa egenskaper, säger teamledaren Haixin Chang.

"De flesta kända skyrmioner och THE stabiliseras i endast ett smalt temperaturfönster, antingen under eller över rumstemperatur och kräver hög kritisk strömmanipulation," säger han Fysikvärlden. "Det är fortfarande svårfångat och mycket utmanande att uppnå en stor THE med både ett brett temperaturfönster upp till rumstemperatur och en låg kritisk ström för skyrmionmanipulation, speciellt i 2D-system lämpliga för elektroniska och spintroniska integrationer."

Robust 2D skyrmion THE

Chang och kollegor rapporterar nu om en 2D-skyrmion som verkar passa. Den THE som de observerar förblir inte bara robust över ett temperaturfönster som sträcker sig över tre storleksordningar, den är också mycket stor och mäter 5.4 µΩ·cm vid 10 K och 0.15 µΩ·cm vid 300 K. Detta är mellan en och tre ordningar av magnitud större än tidigare rapporterade rumstemperatur 2D skyrmionsystem. Och det är inte allt: forskarna fann att deras 2D skyrmion THE kan styras med en låg kritisk strömtäthet på bara 6.2×10⁵ A·cm^-2. Forskarna säger att detta var möjligt på grund av de högkvalitativa proverna de tillverkade (som har en fint kontrollerbar 2D-ferromagnetism), plus deras exakta kvantitativa analyser av THE elektriska mätningar.

Chang tror att teamets arbete banar väg för rumstemperatur elektriskt styrd 2D THE och skyrmionbaserade praktiska spintroniska och magnetoelektroniska enheter. "Elektrisk detektering i rumstemperatur och manipulering av skyrmioner med den topologiska Hall-effekten är lovande för nästa generations lågeffekts spintroniska enheter", säger han.

Varifrån kommer effekten

Teamet grävde också i möjliga orsaker till den robusta jätten 2D skyrmion THE de observerade. Baserat på sina teoretiska beräkningar fann de att den naturliga oxidationen av Fe₃Port_2-𝑥 ferromagnetisk kristall som de studerade förbättrade en känd skyrmionstabiliserande magnetisk effekt som kallas 2D-gränssnittsinteraktionen Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). Därför genom att noggrant kontrollera den naturliga oxidationen och tjockleken av Fe₃Port_2-𝑥 kristall bildade de ett tillförlitligt oxidationsgränssnitt med ett betydande gränssnitts-DMI, och visade att de kunde producera en robust 2D skyrmion THE inom ett brett temperaturfönster. Detta är ingen lätt uppgift eftersom överdriven oxidation kan göra att kristallens struktur försämras, medan otillräcklig oxidation gör det svårt att bilda ett stort gränssnitts-DMI. Båda ytterligheterna tenderar att hindra bildandet av skyrmioner och därmed THE.

Svaga elektriska strömmar spårar små magnetiska skyrmioner

"Vår grupp har studerat magnetism i 2D-kristaller sedan 2014 och vi har utvecklat många nya magnetiska kristaller, inklusive den som studerats i detta arbete", säger Chang. "Både skyrmioner och den topologiska Hall-effekten är mycket intressanta topologiska fysikaliska fenomen som vanligtvis observeras i vissa magnetiska system, men som har många inneboende begränsningar för praktiska tillämpningar.

"Vi genomförde den här studien för att försöka övervinna dessa begränsningar i traditionella magnetiska material."

Forskarna säger deras arbete, som är detaljerat i Kinesiska fysikbokstäver, skulle kunna leda till en allmän metod för att ställa in 2D DMI för spintransportkontroll i 2D ferromagnetiska kristaller. "Det bevisar också att oxidation kan användas för att inducera en gigantisk 2D mycket bättre än tungmetaller och andra så kallade starka spin-orbit-kopplingsföreningar som traditionellt används", säger Chang.

Huazhong-teamet undersöker nu att göra racerbanminnen och logiska grindar baserade på deras 2D skyrmion-system för höghastighets- och högdensitetsdatalagring, logisk drift och vad forskarna kallar "nykoncept kvantberäkning".

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/