เอฟเฟกต์ฮอลทอพอโลยียักษ์ skyrmion ปรากฏในคริสตัลเฟอร์โรแมกเนติกสองมิติที่อุณหภูมิห้อง - โลกฟิสิกส์

นักวิจัยในประเทศจีนได้สร้างปรากฏการณ์ที่เรียกว่าปรากฏการณ์ฮอลล์ทอพอโลยียักษ์สกายร์เมียนในวัสดุสองมิติโดยใช้กระแสไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยเพื่อควบคุมสกายร์เมียนที่รับผิดชอบปรากฏการณ์นี้ การค้นพบนี้ซึ่งทีมงานจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Huazhong ในหูเป่ย สังเกตเห็นในคริสตัลเฟอร์โรแมกเนติกที่ค้นพบในปี 2022 เกิดขึ้นได้จากการปฏิสัมพันธ์ของการหมุนแบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ทราบกันว่าทำให้ skyrmions มีเสถียรภาพ เนื่องจากผลกระทบดังกล่าวปรากฏให้เห็นในช่วงอุณหภูมิที่หลากหลาย รวมถึงอุณหภูมิห้อง จึงพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์สำหรับการพัฒนาอุปกรณ์ทอโพโลยีแบบสองมิติและอุปกรณ์สปินโทรนิก เช่น หน่วยความจำในสนามแข่ง ลอจิกเกต และสปินนาโนออสซิลเลเตอร์

Skyrmions เป็นอนุภาคกึ่งอนุภาคที่มีโครงสร้างคล้ายกระแสน้ำวน และมีอยู่ในวัสดุหลายชนิด โดยเฉพาะฟิล์มบางและหลายชั้นที่เป็นแม่เหล็ก มีความทนทานต่อการก่อกวนจากภายนอก และด้วยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงสิบนาโนเมตร พวกมันมีขนาดเล็กกว่าโดเมนแม่เหล็กที่ใช้ในการเข้ารหัสข้อมูลในฮาร์ดดิสก์ในปัจจุบันมาก นั่นทำให้พวกเขาเป็นส่วนประกอบในอุดมคติสำหรับเทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูลในอนาคต เช่น ความทรงจำ "สนามแข่ง"

โดยทั่วไปสามารถระบุ Skyrmions ในวัสดุได้โดยการจำแนกลักษณะที่ผิดปกติ (เช่น ความต้านทานที่ผิดปกติ) ในเอฟเฟกต์ฮอลล์ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนไหลผ่านตัวนำต่อหน้าสนามแม่เหล็กที่ใช้ สนามแม่เหล็กออกแรงกระทำไปด้านข้างต่ออิเล็กตรอน ทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าในตัวนำซึ่งเป็นสัดส่วนกับความแรงของสนาม หากตัวนำมีสนามแม่เหล็กภายในหรือพื้นผิวการหมุนของแม่เหล็ก เช่นเดียวกับสกายเมียน สิ่งนี้จะส่งผลต่ออิเล็กตรอนด้วย ในสถานการณ์เหล่านี้ เอฟเฟกต์ฮอลล์เรียกว่าเอฟเฟกต์ฮอลล์ทอพอโลยีสกายร์เมียน (THE)

เพื่อให้ quasiparticles มีประโยชน์เป็นแพลตฟอร์มสำหรับอุปกรณ์ spintronic สองมิติ (2D) THE ขนาดใหญ่นั้นเป็นที่ต้องการอย่างมาก แต่ skyrmions ก็ต้องมีเสถียรภาพในช่วงอุณหภูมิที่กว้างและง่ายต่อการจัดการโดยใช้กระแสไฟฟ้าขนาดเล็ก จนถึงขณะนี้ การสร้าง skyrmions ด้วยคุณสมบัติทั้งหมดนี้เป็นเรื่องยาก หัวหน้าทีมกล่าว ไห่ซินฉาง.

“สกายร์เมียนที่เป็นที่รู้จักส่วนใหญ่และ THE จะถูกทำให้เสถียรในหน้าต่างอุณหภูมิแคบๆ เท่านั้น ไม่ว่าจะต่ำกว่าหรือสูงกว่าอุณหภูมิห้อง และต้องมีการจัดการกระแสไฟวิกฤตในระดับสูง” เขากล่าว โลกฟิสิกส์. “ยังคงเป็นเรื่องยากและท้าทายมากที่จะบรรลุ THE ขนาดใหญ่ที่มีทั้งหน้าต่างอุณหภูมิกว้างจนถึงอุณหภูมิห้องและกระแสวิกฤตต่ำสำหรับการจัดการ skyrmion โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบ 2D ที่เหมาะสมสำหรับการรวมระบบอิเล็กทรอนิกส์และ spintronic”

Skyrmion 2D ที่แข็งแกร่ง

Chang และเพื่อนร่วมงานกำลังรายงาน skyrmion 2 มิติที่ดูเหมือนว่าจะพอดีกับใบเสร็จ THE ที่พวกเขาสังเกตเห็นไม่เพียงแต่ยังคงแข็งแกร่งเหนือหน้าต่างอุณหภูมิซึ่งครอบคลุมสามลำดับความสำคัญเท่านั้น แต่ยังมีขนาดใหญ่มากด้วย โดยวัดได้ 5.4 µΩ·cm ที่ 10 K และ 0.15 µΩ·cm ที่ 300 K ซึ่งอยู่ระหว่างหนึ่งถึงสามลำดับของ ขนาดที่ใหญ่กว่าระบบ 2D skyrmion ที่อุณหภูมิห้องที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้ และนั่นไม่ใช่ทั้งหมด นักวิจัยพบว่า 2D skyrmion THE สามารถควบคุมได้ด้วยความหนาแน่นกระแสวิกฤติต่ำเพียงประมาณ 6.2×10⁵ อ·ซม^-2. นักวิจัยกล่าวว่าสิ่งนี้เป็นไปได้เนื่องจากตัวอย่างคุณภาพสูงที่พวกเขาประดิษฐ์ขึ้น (ซึ่งมีเฟอร์ริกแม่เหล็ก 2 มิติที่ควบคุมได้อย่างละเอียด) รวมถึงการวิเคราะห์เชิงปริมาณที่แม่นยำของการวัดทางไฟฟ้าของ THE

Chang คิดว่างานของทีมปูทางไปสู่อุปกรณ์ 2D THE ที่ควบคุมด้วยไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้อง และอุปกรณ์ spintronic และแมกนีโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ skyrmion "การตรวจจับทางไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้องและการจัดการ skyrmions ด้วยเอฟเฟกต์ฮอลล์ทอพอโลยีมีแนวโน้มที่ดีสำหรับอุปกรณ์ spintronic ที่ใช้พลังงานต่ำรุ่นต่อไป" เขากล่าว

ผลกระทบมาจากไหน.

ทีมงานยังเจาะลึกถึงสาเหตุที่เป็นไปได้สำหรับท้องฟ้า 2 มิติขนาดยักษ์ที่แข็งแกร่งที่พวกเขาสังเกตเห็น จากการคำนวณทางทฤษฎี พวกเขาพบว่าการเกิดออกซิเดชันตามธรรมชาติของ Fe₃ประตู_2-𝑥 คริสตัลเฟอร์โรแมกเนติกที่พวกเขาศึกษาได้ปรับปรุงเอฟเฟกต์แม่เหล็กที่ทำให้สกายเมียนเสถียรซึ่งเรียกว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่าง Dzyaloshinskii – Moriya (DMI) แบบ 2 มิติ ดังนั้นด้วยการควบคุมการเกิดออกซิเดชันตามธรรมชาติและความหนาของ Fe อย่างระมัดระวัง₃ประตู_2-𝑥 พวกเขาสร้างส่วนต่อประสานออกซิเดชันที่เชื่อถือได้ด้วย DMI ส่วนประสานขนาดใหญ่ และแสดงให้เห็นว่าพวกมันสามารถสร้าง skyrmion 2 มิติที่แข็งแกร่งภายในหน้าต่างอุณหภูมิที่กว้างได้ นี่ไม่ใช่เรื่องง่ายเพราะการเกิดออกซิเดชันที่มากเกินไปอาจทำให้โครงสร้างของคริสตัลเสื่อมลง ในขณะที่การเกิดออกซิเดชันที่ไม่เพียงพอจะทำให้สร้าง DMI ขนาดใหญ่ที่ผิวสัมผัสได้ยาก สุดขั้วทั้งสองมีแนวโน้มที่จะขัดขวางการก่อตัวของ skyrmions และด้วยเหตุนี้ THE

กระแสไฟฟ้าอ่อนจะติดตามคลื่นแม่เหล็กเล็กๆ

“กลุ่มของเราได้ศึกษาแม่เหล็กในคริสตัล 2 มิติมาตั้งแต่ปี 2014 และเราได้พัฒนาคริสตัลแม่เหล็กใหม่ๆ จำนวนมาก รวมถึงที่ศึกษาในงานนี้ด้วย” Chang กล่าว “ทั้งสกายร์เมียนและเอฟเฟกต์ฮอลทอพอโลยีเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพทอพอโลยีที่น่าสนใจมาก ซึ่งมักพบเห็นได้ในระบบแม่เหล็กบางระบบ แต่มีข้อจำกัดที่แท้จริงมากมายสำหรับการใช้งานจริง

“เราทำการศึกษานี้เพื่อพยายามเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ในวัสดุแม่เหล็กแบบดั้งเดิม”

นักวิจัยกล่าวว่างานของพวกเขาซึ่งมีรายละเอียดอยู่ใน อักษรจีนฟิสิกส์อาจนำไปสู่วิธีการทั่วไปในการปรับ 2D DMI สำหรับการควบคุมการขนส่งสปินในคริสตัลเฟอร์โรแมกเนติก 2D “มันยังพิสูจน์ว่าการออกซิเดชันสามารถนำมาใช้เพื่อกระตุ้น 2D ขนาดยักษ์ได้ดีกว่าโลหะหนักและสารประกอบข้อต่อวงโคจรที่แข็งแกร่งอื่นๆ ที่ใช้กันทั่วไป” Chang กล่าว

ทีมงานหัวจง ขณะนี้กำลังมองหาการสร้างความทรงจำในสนามแข่งและอุปกรณ์ลอจิกเกตที่ใช้ระบบ 2D skyrmion สำหรับการจัดเก็บข้อมูลความเร็วสูงและความหนาแน่นสูง การดำเนินการลอจิก และสิ่งที่นักวิจัยเรียกว่า "การคำนวณควอนตัมแนวคิดใหม่"

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/