Dev skyrmion topolojik Hall etkisi, oda sıcaklığında iki boyutlu bir ferromanyetik kristalde görünüyor - Fizik Dünyası

Çin'deki araştırmacılar, dev skyrmion topolojik Hall etkisi olarak bilinen bir olguyu, bundan sorumlu olan skyrmionları manipüle etmek için yalnızca küçük bir miktar akım kullanarak iki boyutlu bir malzemede ürettiler. Hubei'deki Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'ndeki bir ekibin 2022'de keşfedilen ferromanyetik bir kristalde gözlemlediği bulgu, skyrmion'ları stabilize ettiği bilinen bir elektronik dönüş etkileşimi sayesinde ortaya çıkıyor. Etki, oda sıcaklığı da dahil olmak üzere geniş bir sıcaklık aralığında belirgin olduğundan, yarış pisti hafızası, mantık kapıları ve spin nano-osilatörler gibi iki boyutlu topolojik ve spintronik cihazların geliştirilmesinde yararlı olduğu kanıtlanabilir.

Skyrmion'lar girdap benzeri bir yapıya sahip yarı parçacıklardır ve başta manyetik ince filmler ve çok katmanlı olmak üzere birçok malzemede bulunurlar. Dış etkenlere karşı dayanıklıdırlar ve yalnızca onlarca nanometrelik genişlikleriyle, günümüzün sabit disklerindeki verileri kodlamak için kullanılan manyetik alanlardan çok daha küçüktürler. Bu da onları "yarış pisti" hafızaları gibi gelecekteki veri depolama teknolojileri için ideal yapı taşları haline getiriyor.

Skyrmion'lar genellikle bir malzemede, uygulanan bir manyetik alanın varlığında elektronların bir iletken boyunca akması durumunda ortaya çıkan Hall etkisindeki olağandışı özelliklerin (örneğin, anormal direnç) tespit edilmesiyle tanımlanabilir. Manyetik alan elektronlara yanal bir kuvvet uygulayarak iletkende alanın gücüyle orantılı bir voltaj farkına yol açar. İletkenin bir skyrmion gibi dahili bir manyetik alanı veya manyetik dönüş dokusu varsa, bu durum elektronları da etkiler. Bu koşullar altında Hall etkisi, skyrmion topolojik Hall etkisi (THE) olarak bilinir.

Yarı parçacıkların iki boyutlu (2D) spintronik cihazlara yönelik platformlar olarak kullanışlı olması için, büyük bir THE oldukça arzu edilir, ancak skyrmionların aynı zamanda geniş bir sıcaklık aralığında kararlı olması ve küçük elektrik akımları kullanılarak kolayca manipüle edilmesi gerekir. Ekip lideri, şimdiye kadar tüm bu özelliklerle skyrmion yapmanın zor olduğunu söylüyor Haixin Chang.

"Bilinen skyrmionların çoğu ve THE, oda sıcaklığının altında veya üstünde yalnızca dar bir sıcaklık aralığında stabilize edilir ve yüksek kritik akım manipülasyonu gerektirir" diyor Fizik dünyası. "Özellikle elektronik ve spintronik entegrasyonlara uygun 2 boyutlu sistemlerde, hem oda sıcaklığına kadar geniş bir sıcaklık penceresi hem de skyrmion manipülasyonu için düşük bir kritik akım ile büyük bir THE elde etmek hala zor ve çok zordur."

Sağlam 2D ​​skyrmion THE

Chang ve meslektaşları şimdi bu amaca uygun görünen bir 2 boyutlu skyrmion rapor ediyorlar. Gözlemledikleri THE, üç büyüklük mertebesine yayılan bir sıcaklık penceresi boyunca sağlam kalmakla kalmıyor, aynı zamanda çok büyük, 5.4 K'da 10 µΩ·cm ve 0.15 K'de 300 µΩ·cm ölçüyor. Bu, bir ile üç mertebesi arasındadır. daha önce bildirilen oda sıcaklığındaki 2D skyrmion sistemlerinden daha büyük. Hepsi bu kadar da değil: Araştırmacılar 2 boyutlu skyrmion THE'nın yalnızca 6.2×10 civarında düşük bir kritik akım yoğunluğuyla kontrol edilebildiğini buldular.⁵ A·cm^-2. Araştırmacılar bunun, ürettikleri yüksek kaliteli numunelerin (hassas şekilde kontrol edilebilen 2 boyutlu ferromanyetizmaya sahip) ve ayrıca THE elektrik ölçümlerinin hassas niceliksel analizlerinin sayesinde mümkün olduğunu söylüyor.

Chang, ekibin çalışmasının oda sıcaklığında elektrikle kontrol edilen 2D THE ve skyrmion tabanlı pratik spintronik ve manyetoelektronik cihazların önünü açtığını düşünüyor. "Oda sıcaklığında elektriksel algılama ve skyrmionların topolojik Hall etkisi ile manipülasyonu, yeni nesil düşük güçlü spintronik cihazlar için umut verici" diyor.

Efekt nereden geliyor?

Ekip ayrıca gözlemledikleri sağlam dev 2D skyrmion'un olası nedenlerini de araştırdı. Teorik hesaplamalarına dayanarak Fe'nin doğal oksidasyonunu buldular.₃Kapı_2-𝑥 Çalıştıkları ferromanyetik kristal, 2D arayüzey Dzyaloshinskii-Moriya etkileşimi (DMI) adı verilen bilinen bir skyrmion stabilize edici manyetik etkiyi arttırdı. Bu nedenle, Fe'nin doğal oksidasyonunu ve kalınlığını dikkatli bir şekilde kontrol ederek₃Kapı_2-𝑥 kristal, oldukça büyük bir arayüzey DMI ile güvenilir bir oksidasyon arayüzü oluşturdular ve geniş bir sıcaklık penceresi içinde sağlam bir 2D skyrmion THE üretebildiklerini gösterdiler. Bu kolay bir iş değil çünkü aşırı oksidasyon, kristalin yapısının bozulmasına neden olabilirken, yetersiz oksidasyon, büyük bir arayüzey DMI'sının oluşturulmasını zorlaştırır. Her iki uç nokta da skyrmionların ve dolayısıyla THE'nin oluşumunu engelleme eğilimindedir.

Zayıf elektrik akımları küçük manyetik gök cisimlerini takip ediyor

Chang, "Grubumuz 2'ten bu yana 2014 boyutlu kristallerde manyetizma üzerinde çalışıyor ve bu çalışmada incelenen de dahil olmak üzere birçok yeni manyetik kristal geliştirdik" diyor. "Hem skyrmionlar hem de topolojik Hall etkisi, bazı manyetik sistemlerde tipik olarak gözlemlenen, ancak pratik uygulamalar için pek çok içsel sınırlamaya sahip olan çok ilginç topolojik fiziksel olaylardır.

"Bu çalışmayı geleneksel manyetik malzemelerdeki bu sınırlamaların üstesinden gelmek için gerçekleştirdik."

Araştırmacılar, ayrıntılı olarak açıklanan çalışmalarının Çin Fiziği Mektupları2D ferromanyetik kristallerde spin taşıma kontrolü için 2D DMI'yi ayarlamak için genel bir metodolojiye yol açabilir. Chang, "Ayrıca oksidasyonun ağır metalden ve geleneksel olarak kullanılan diğer sözde güçlü spin-yörünge birleştirme bileşiklerinden çok daha iyi bir dev 2D THE'yi tetiklemek için kullanılabileceğini kanıtlıyor" diyor.

Huazhong ekibi şu anda yüksek hızlı ve yüksek yoğunluklu veri depolama, mantıksal operasyon ve araştırmacıların "yeni konsept kuantum hesaplaması" olarak adlandırdığı şey için 2D skyrmion sistemlerine dayalı yarış pisti hafızaları ve mantıksal geçit cihazları yapmayı düşünüyor.

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/giant-skyrmion-topological-hall-effect-appears-in-a-two-dimensional-ferromagnetic-crystal-at-room-temperature/