Kvasipartiklar som kallas meroner dyker upp i en syntetisk antiferromagnet för första gången - Physics World

Ett internationellt team av forskare har för första gången identifierat kvasipartiklar som kallas meroner i en syntetisk antiferromagnet. Resultatet kan leda till nya koncept för spintronics-enheter, som använder elektronens magnetiska moment, eller spinn, för att lagra och bearbeta information.

Forskare försöker utnyttja elektronsnurr på detta sätt eftersom spintronics-baserade datorminnesenheter skulle vara snabbare och mer kompakta än dagens rent elektroniska. Frågan om hur man bäst bygger sådana anordningar har ännu inget definitivt svar, men mycket ny forskning har fokuserat på strukturer som kallas skyrmioner som potentiella byggstenar. Dessa strukturer är kvasipartiklar som består av många elektronsnurr och kan ses som tvådimensionella virvlar (eller "snurrtexturer") i ett material.

Skyrmioner finns i många magnetiska material, inklusive kobolt-järn-kisel och mangan-silicid tunna filmer där de först upptäcktes. De är attraktiva spintronikkandidater eftersom de är robusta mot yttre störningar, vilket gör dem särskilt stabila för lagring och bearbetning av informationen de innehåller. Med bara tiotals nanometer i diameter är de också mycket mindre än de magnetiska domänerna som används för att koda data i dagens diskenheter, vilket gör dem idealiska för framtida datalagringstekniker som "racetrack"-minnen.

Liksom skyrmioner består meroner av många individuella snurr. Till skillnad från dem är deras strömagnetiska fält mycket små, vilket skulle underlätta ultrasnabba operationer och ännu högre informationslagringstätheter i en enhet. Fram till nu har meroner dock bara observerats i naturliga antiferromagneter, där de har visat sig svåra att analysera och manipulera.

Minimala nettomagnetiska moment

Forskare på Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) i Tyskland; Tohoku University, Japan; och den ALBA Synchrotron Light Facility i Spanien har man nu identifierat meroner i syntetiska antiferromagneter gjorda av flerskiktsstaplar av ömsesidigt kopplade individuella ferromagnetiska lager. Till skillnad från naturliga antiferromagneter kan dessa syntetiska material framställas på ett välkontrollerat sätt med hjälp av etablerade tekniker såsom sputteravsättning.

Denna utsökta kontroll gjorde det möjligt för teamet att justera hur de olika lagren interagerar och därigenom minimera deras magnetiska nettomoment. Detta ger systemet fördelar med både antiferromagneter (där elektronspinn tenderar att riktas antiparallellt med varandra) och ferromagneter (som har parallella elektronspin). Exempel inkluderar inte bara låga strömagnetiska fält, utan också stabila homokirala texturer och snabb spindynamik inom en polykristallin miljö, förklarar Mona Bhukta, doktorand vid JGU och studiens medledare.

"I vårt arbete har vi framgångsrikt stabiliserat dessa spin-texturer i syntetiska antiferromagneter med en mycket liten lättplansanisotropi (så att den föredragna orienteringen av magnetiseringen ligger i filmplanet) och avbildat deras invecklade strukturer genom att kombinera flera avbildningsmetoder," säger Bukhta. Metoderna de använde inkluderade magnetisk kraftmikroskopi och svepelektronmikroskopi med polarisationsanalys samt elementspecifik fotoemissionselektronmikroskopi med röntgenmagnetisk cirkulär dikroism.

Tack vare dessa bildtekniker identifierade teamet flera olika spinnstrukturer i det staplade materialet. Detta var inte lätt, eftersom forskarna var tvungna att avbilda kvasipartiklarna på ett sätt som löser alla tre komponenterna i magnetiseringsvektorn innan de otvetydigt kunde påvisa närvaron av meroner. Forskarna utvecklade också en analytisk modell för att belysa de mekanismer som stabiliserar sådana strukturer i deras system. Målet i detta fall var att bestämma den optimala tjockleken för varje lager och identifiera de bästa "värdmaterialen" för meroner.

Relaterade strukturer observerades också

Förutom att identifiera meroner, observerade teamet också relaterade strukturer som antimeroner och topologiskt stabiliserade bimeroner i deras syntetiska antiferromagneter. Till skillnad från skyrmioner är riktningen för nätmagnetiseringen och det emergenta fältet som produceras av bimeroner ömsesidigt ortogonala, förklarar Bhukta.

"Denna karakteristiska egenskap gör det möjligt för oss att till exempel direkt sondera och manipulera den topologiska Hall-effekten med hjälp av meronspin-texturerna", säger hon Fysikvärlden. Denna effekt uppstår när elektroner strömmar genom en ledare i närvaro av ett magnetfält. Det applicerade magnetfältet utövar en sidledes kraft på elektronerna, vilket leder till en spänningsskillnad som är proportionell mot fältets styrka. Om ledaren har ett inre magnetfält eller magnetisk spinntextur påverkar detta även elektronerna.

"Hall-signalerna från bimeroner ger ett direkt sätt att detektera och kvantifiera topologi, vilket ger oss den spännande möjligheten att utveckla magnetisk-topologi-baserade teknologier där topologi fungerar som informationsbärare", säger Bhukta.

Forskarna, som beskriver sitt arbete i Nature Communications, planerar nu att undersöka interaktionen mellan meroner och externa magnetfält och elektriska strömmar. "Vi skulle också vilja studera hur de interagerar sinsemellan", säger Bhukta.

• 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/quasiparticles-called-merons-appear-in-a-synthetic-antiferromagnet-for-the-first-time/