Гігантський скірміонний топологічний ефект Холла з’являється в двовимірному феромагнітному кристалі при кімнатній температурі – Physics World

Гігантський скірміонний топологічний ефект Холла з’являється в двовимірному феромагнітному кристалі при кімнатній температурі – Physics World

Мітка часу: 15 грудня 2023 р. 12:00

Шарикоподібні діаграми кристала Fe3GaTe2-x та діаграма вихроподібного скірміону
Стабільні скірміони: першопринципові розрахунки стабілізуючої скірміони взаємодії Дзялошинського–Морія в первісному (внизу) та окисленому (вгорі) Fe3GaT2-х дозволив команді зрозуміти, чому скірміони, які утворюються (праворуч), такі міцні. (З дозволу: H Chang)

Дослідники в Китаї створили явище, відоме як гігантський скірміонний топологічний ефект Холла, у двовимірному матеріалі, використовуючи лише невелику кількість струму для маніпулювання скірміонами, відповідальними за це. Відкриття, яке команда з Університету науки і технологій Хуачжун у Хубеї спостерігала у феромагнітному кристалі, виявленому в 2022 році, сталося завдяки взаємодії електронного спіну, яка, як відомо, стабілізує скірміони. Оскільки ефект був очевидний у широкому діапазоні температур, включаючи кімнатну температуру, він міг виявитися корисним для розробки двовимірних топологічних і спінтронних пристроїв, таких як пам'ять іподрому, логічні вентилі та спінові наноосцилятори.

Скірміони є квазічастинками з вихровою структурою, і вони існують у багатьох матеріалах, зокрема в тонких магнітних плівках і багатошарових шарах. Вони стійкі до зовнішніх збурень, і маючи лише десятки нанометрів у поперечнику, вони набагато менші за магнітні домени, які використовуються для кодування даних на сучасних жорстких дисках. Це робить їх ідеальними будівельними блоками для майбутніх технологій зберігання даних, таких як пам’ять «іподрому».

Зазвичай скірміони можна ідентифікувати в матеріалі, помітивши незвичні особливості (наприклад, аномальний питомий опір) в ефекті Холла, який виникає, коли електрони протікають через провідник у присутності прикладеного магнітного поля. Магнітне поле чинить на електрони побічну силу, що призводить до різниці напруг у провіднику, яка пропорційна силі поля. Якщо провідник має внутрішнє магнітне поле або текстуру магнітного спіну, як у скірміона, це також впливає на електрони. За цих обставин ефект Холла відомий як топологічний ефект Холла (THE).

Щоб квазічастинки були корисними як платформи для двовимірних (2D) пристроїв спінтроніки, дуже бажано мати великий THE, але скірміони також повинні бути стабільними в широкому температурному діапазоні та легкими в маніпулюванні за допомогою малих електричних струмів. Дотепер зробити скірміони з усіма цими властивостями було важко, каже керівник групи Хайсінь Чанг.

«Більшість відомих скірміонів і THE стабілізуються лише у вузькому температурному вікні нижче або вище кімнатної температури та потребують маніпуляції з високим критичним струмом», — розповідає він. Світ фізики. «Це все ще невловиме й дуже складне досягнення великого THE із широким температурним вікном до кімнатної температури та низьким критичним струмом для маніпулювання скайрміоном, особливо в 2D-системах, придатних для електронної та спінтронної інтеграції».

Надійний 2D skyrmion THE

Зараз Чанг і його колеги повідомляють про двовимірний скірміон, який, здається, відповідає вимогам. Не тільки те, що вони спостерігають, залишається надійним у температурному вікні, що охоплює три порядки величини, воно також дуже велике, вимірюючи 2 мкОм·см при 5.4 К і 10 мкОм·см при 0.15 К. Це становить від одного до трьох порядків величина більша, ніж раніше зареєстровані 300D системи skyrmion при кімнатній температурі. І це ще не все: дослідники виявили, що їхнім 2D skyrmion THE можна керувати за допомогою низької критичної щільності струму всього 2×6.25 А·см-2. Дослідники кажуть, що це стало можливим завдяки високоякісним зразкам, які вони виготовили (які мають точно контрольований 2D феромагнетизм), а також їх точному кількісному аналізу електричних вимірювань THE.

Чанг вважає, що робота команди прокладає шлях для 2D THE з електричним керуванням при кімнатній температурі та практичних спінтронних і магнітоелектронних пристроїв на основі skyrmion. «Електричне виявлення при кімнатній температурі та маніпулювання скірміонами за допомогою топологічного ефекту Холла є перспективними для спінтронних пристроїв малої потужності наступного покоління», — каже він.

Звідки ефект

Команда також дослідила можливі причини появи міцного гігантського 2D skyrmion THE, який вони спостерігали. На основі своїх теоретичних розрахунків вони виявили, що природне окислення Fe3GaT2-𝑥 феромагнітний кристал, який вони досліджували, посилив відомий магнітний ефект стабілізації скірміонів, який називається 2D міжфазною взаємодією Дзялошинського–Морія (DMI). Отже, ретельно контролюючи природне окислення та товщину Fe3GaT2-𝑥 кристала, вони сформували надійну межу окиснення зі значним міжфазним DMI і показали, що вони здатні виробляти надійний 2D skyrmion THE у широкому температурному вікні. Це непросте завдання, оскільки надмірне окислення може призвести до деградації структури кристала, тоді як недостатнє окислення ускладнює формування великого міжфазного DMI. Обидві крайності, як правило, перешкоджають утворенню скірміонів і, отже, THE.

«Наша група вивчає магнетизм у двовимірних кристалах з 2 року, і ми розробили багато нових магнітних кристалів, у тому числі той, який досліджувався в цій роботі», — говорить Чанг. «І скірміони, і топологічний ефект Холла є дуже цікавими топологічними фізичними явищами, які зазвичай спостерігаються в деяких магнітних системах, але які мають багато внутрішніх обмежень для практичного застосування.

«Ми провели це дослідження, щоб спробувати подолати ці обмеження традиційних магнітних матеріалів».

Дослідники кажуть, що їхня робота, детально описана в Китайські літери з фізики, може призвести до загальної методології налаштування 2D DMI для керування спіновим транспортом у 2D феромагнітних кристалах. «Це також доводить, що окислення може бути використано для індукції гігантського 2D THE набагато краще, ніж важкі метали та інші так звані сильні спін-орбітальні зв’язки, які традиційно використовуються», — говорить Чанг.

Команда Huazhong зараз шукає можливість створення запам’ятовуючих пристроїв для іподрому та логічних воріт на основі своїх 2D-систем skyrmion для високошвидкісного та високощільного зберігання даних, логічних операцій і того, що дослідники називають «квантовими обчисленнями за новою концепцією».

Часова мітка:

Більше від Світ фізики