Hiệu ứng Hall tôpô Skyrmion khổng lồ xuất hiện trong tinh thể sắt từ hai chiều ở nhiệt độ phòng – Thế Giới Vật Lý

Hiệu ứng Hall tôpô Skyrmion khổng lồ xuất hiện trong tinh thể sắt từ hai chiều ở nhiệt độ phòng – Thế Giới Vật Lý

Dấu thời gian: ngày 15 tháng 2023 năm 12 00:XNUMX chiều

Sơ đồ quả bóng và thanh của tinh thể Fe3GaTe2-x và sơ đồ skyrmion dạng xoáy
Skyrmions ổn định: Các tính toán nguyên tắc đầu tiên về tương tác Dzyaloshinskii–Moriya ổn định bầu trời ở trạng thái nguyên sơ (dưới) và Fe bị oxy hóa (trên cùng)3Cánh cổng2-x đã giúp nhóm hiểu được lý do tại sao các skyrmion hình thành (bên phải) lại mạnh mẽ đến vậy. (Được phép: H Chang)

Các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã tạo ra một hiện tượng được gọi là hiệu ứng Hall tôpô skyrmion khổng lồ trong một vật liệu hai chiều chỉ sử dụng một lượng dòng điện nhỏ để điều khiển các skyrmion chịu trách nhiệm cho nó. Phát hiện mà nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong ở Hồ Bắc quan sát thấy trong một tinh thể sắt từ được phát hiện vào năm 2022, là nhờ vào tương tác spin điện tử được biết là có tác dụng ổn định skyrmion. Do hiệu ứng này rõ ràng ở một phạm vi nhiệt độ rộng, bao gồm cả nhiệt độ phòng, nên nó có thể tỏ ra hữu ích trong việc phát triển các thiết bị điện tử học và tôpô hai chiều như bộ nhớ đường đua, cổng logic và bộ dao động nano quay.

Skyrmion là các giả hạt có cấu trúc dạng xoáy và chúng tồn tại trong nhiều loại vật liệu, đặc biệt là các màng mỏng từ tính và nhiều lớp. Chúng bền bỉ trước những nhiễu loạn bên ngoài và với đường kính chỉ hàng chục nanomet, chúng nhỏ hơn nhiều so với các miền từ tính được sử dụng để mã hóa dữ liệu trong các đĩa cứng ngày nay. Điều đó khiến chúng trở thành khối xây dựng lý tưởng cho các công nghệ lưu trữ dữ liệu trong tương lai, chẳng hạn như bộ nhớ “đường đua”.

Skyrmion thường có thể được xác định trong vật liệu bằng cách phát hiện các đặc điểm bất thường (ví dụ, điện trở suất bất thường) trong hiệu ứng Hall, xảy ra khi các electron chạy qua một dây dẫn khi có từ trường tác dụng. Từ trường tác dụng một lực ngang lên các electron, dẫn đến sự chênh lệch điện áp trong dây dẫn tỷ lệ thuận với cường độ của từ trường. Nếu dây dẫn có từ trường bên trong hoặc kết cấu spin từ, giống như skyrmion, thì điều này cũng ảnh hưởng đến các electron. Trong những trường hợp này, hiệu ứng Hall được gọi là hiệu ứng Hall tôpô skyrmion (THE).

Để quasiparticles trở nên hữu ích làm nền tảng cho các thiết bị spintronic hai chiều (2D), THE lớn là rất mong muốn, nhưng skyrmion cũng cần ổn định trong phạm vi nhiệt độ rộng và dễ dàng thao tác bằng dòng điện nhỏ. Trưởng nhóm cho biết cho đến nay, việc tạo ra skyrmions với tất cả các đặc tính này vẫn còn khó khăn Hải Tân Trường.

Ông nói: “Hầu hết các skyrmion được biết đến và THE chỉ được ổn định trong một khoảng nhiệt độ hẹp dưới hoặc trên nhiệt độ phòng và yêu cầu thao tác dòng điện tới hạn cao”. Thế giới vật lý. “Việc đạt được một THE lớn vẫn còn khó khăn và rất khó khăn với cả khoảng nhiệt độ rộng đến nhiệt độ phòng và dòng điện tới hạn thấp để thao tác với skyrmion, đặc biệt là trong các hệ thống 2D phù hợp cho tích hợp điện tử và spintronic.”

Skyrmion 2D mạnh mẽ THE

Chang và các đồng nghiệp hiện đang báo cáo một skyrmion 2D có vẻ phù hợp với yêu cầu. THE mà họ quan sát được không chỉ duy trì mạnh mẽ trong khoảng nhiệt độ kéo dài ba bậc độ lớn, mà nó còn rất lớn, đo 5.4 µΩ·cm ở 10 K và 0.15 µΩ·cm ở 300 K. Đây là từ một đến ba bậc cường độ lớn hơn các hệ thống skyrmion 2D ở nhiệt độ phòng được báo cáo trước đây. Và đó chưa phải là tất cả: các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng skyrmion 2D THE của họ có thể được điều khiển với mật độ dòng tới hạn thấp, chỉ khoảng 6.2×105 A·cm-2. Các nhà nghiên cứu cho biết điều này có thể thực hiện được là nhờ các mẫu chất lượng cao mà họ chế tạo (có tính chất sắt từ 2D có thể kiểm soát được), cộng với các phân tích định lượng chính xác của các phép đo điện THE.

Chang cho rằng công trình của nhóm sẽ mở đường cho các thiết bị điện từ và điện tử spin thực tế được điều khiển bằng điện ở nhiệt độ phòng và dựa trên skyrmion. Ông nói: “Việc phát hiện và điều khiển điện ở nhiệt độ phòng của skyrmion bằng hiệu ứng Hall tôpô đầy hứa hẹn cho các thiết bị điện tử spin công suất thấp thế hệ tiếp theo”.

Hiệu ứng đến từ đâu

Nhóm nghiên cứu cũng đã nghiên cứu sâu những lý do có thể dẫn đến sự mạnh mẽ của skyrmion 2D khổng lồ mà họ quan sát được. Dựa trên tính toán lý thuyết của họ, họ phát hiện ra rằng quá trình oxy hóa tự nhiên của Fe3Cánh cổng2-𝑥 tinh thể sắt từ mà họ nghiên cứu đã tăng cường một hiệu ứng từ ổn định skyrmion đã biết được gọi là tương tác giao diện 2D Dzyaloshinskii–Moriya (DMI). Do đó, bằng cách kiểm soát cẩn thận quá trình oxy hóa tự nhiên và độ dày của Fe3Cánh cổng2-𝑥 tinh thể, họ đã hình thành một giao diện oxy hóa đáng tin cậy với DMI giao diện khá lớn và cho thấy rằng họ có thể tạo ra skyrmion THE 2D mạnh mẽ trong một cửa sổ nhiệt độ rộng. Đây không phải là nhiệm vụ dễ dàng vì quá trình oxy hóa quá mức có thể làm cho cấu trúc của tinh thể bị suy giảm, trong khi quá trình oxy hóa không đủ khiến cho việc hình thành DMI bề mặt lớn trở nên khó khăn. Cả hai thái cực đều có xu hướng cản trở sự hình thành của skyrmions và do đó là THE.

“Nhóm của chúng tôi đã nghiên cứu từ tính trong tinh thể 2D từ năm 2014 và chúng tôi đã phát triển nhiều tinh thể từ tính mới, bao gồm cả tinh thể được nghiên cứu trong công trình này,” Chang nói. “Cả skyrmion và hiệu ứng Hall tôpô đều là những hiện tượng vật lý tôpô rất thú vị thường được quan sát thấy trong một số hệ từ tính, nhưng chúng có rất nhiều hạn chế nội tại đối với các ứng dụng thực tế.

“Chúng tôi thực hiện nghiên cứu này để thử và khắc phục những hạn chế này ở vật liệu từ tính truyền thống.”

Các nhà nghiên cứu cho biết công việc của họ được trình bày chi tiết trong Chữ cái Vật lý Trung Quốc, có thể dẫn đến một phương pháp chung để điều chỉnh DMI 2D để kiểm soát vận chuyển spin trong tinh thể sắt từ 2D. “Nó cũng chứng tỏ rằng quá trình oxy hóa có thể được sử dụng để tạo ra một 2D THE khổng lồ tốt hơn nhiều so với kim loại nặng và cái gọi là các hợp chất liên kết quỹ đạo quay mạnh khác được sử dụng truyền thống,” Chang nói.

Đội Hoa Trung hiện đang xem xét việc tạo ra các bộ nhớ đường đua và thiết bị cổng logic dựa trên hệ thống skyrmion 2D của họ để lưu trữ dữ liệu mật độ cao và tốc độ cao, vận hành logic và cái mà các nhà nghiên cứu gọi là “tính toán lượng tử khái niệm mới”.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý