室温下二维铁磁晶体中出现巨型斯格明子拓扑霍尔效应 – 物理世界

室温下二维铁磁晶体中出现巨型斯格明子拓扑霍尔效应 – 物理世界

时间戳：15 年 2023 月 12 日下午 00:XNUMX

Fe3GaTe2-x 晶体的球棒图和涡旋斯格明子图
稳定的斯格明子：原始（底部）和氧化（顶部）Fe 中稳定斯格明子的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用的第一性原理计算3门2-X 使团队能够理解为什么形成的斯格明子（右）如此强大。 （提供：H 张）

中国的研究人员仅使用少量电流来操纵造成这种现象的斯格明子，就在二维材料中产生了一种称为巨型斯格明子拓扑霍尔效应的现象。 这一发现是湖北华中科技大学的一个团队在 2022 年发现的铁磁晶体中观察到的，其成果归功于已知可稳定斯格明子的电子自旋相互作用。 由于这种效应在包括室温在内的各种温度下都很明显，因此它可用于开发二维拓扑和自旋电子器件，例如跑道存储器、逻辑门和自旋纳米振荡器。

斯格明子是具有涡旋结构的准粒子，它们存在于许多材料中，特别是磁性薄膜和多层材料中。 它们对外部扰动具有鲁棒性，并且直径仅为数十纳米，比当今硬盘中用于编码数据的磁域小得多。 这使得它们成为未来数据存储技术（例如“赛道”存储器）的理想构建模块。

通常可以通过发现霍尔效应中的异常特征（例如异常电阻率）来识别材料中的斯格明子，霍尔效应是当电子在施加磁场的情况下流经导体时发生的。 磁场对电子施加侧向力，导致导体中产生与磁场强度成正比的电压差。 如果导体具有内部磁场或磁自旋结构，就像斯格明子一样，这也会影响电子。 在这种情况下，霍尔效应被称为斯格明子拓扑霍尔效应（THE）。

为了使准粒子能够用作二维（2D）自旋电子器件的平台，非常需要一个大的THE，但斯格明子还需要在很宽的温度范围内保持稳定，并且易于使用小电流进行操纵。 团队负责人表示，到目前为止，制造具有所有这些特性的斯格明子一直很困难 常海欣.

“大多数已知的斯格明子和THE仅在低于或高于室温的狭窄温度窗口内稳定，并且需要高临界电流操纵，”他告诉我们 物理世界。 “实现具有高达室温的宽温度窗口和用于斯格明子操纵的低临界电流的大型THE仍然是难以捉摸且非常具有挑战性的，特别是在适合电子和自旋电子集成的2D系统中。”

稳健的二维斯格明子

张和同事现在报告了一种似乎符合要求的二维斯格明子。 他们观察到的 THE 不仅在跨越三个数量级的温度窗口内保持稳健，而且还非常大，在 2 K 时测量为 5.4 µΩ·cm，在 10 K 时测量为 0.15 µΩ·cm。这介于一到三个数量级之间。比之前报道的室温二维斯格明子系统还要大。 这还不是全部：研究人员发现他们的 300D 斯格明子 THE 可以用仅 2×2 左右的低临界电流密度进行控制5 面积·厘米-2。 研究人员表示，这是可能的，因为他们制造了高质量的样品（具有精细可控的二维铁磁性），加上他们对电测量的精确定量分析。

Chang 认为该团队的工作为室温电控二维 THE 和基于斯格明子的实用自旋电子和磁电子器件铺平了道路。 “通过拓扑霍尔效应对斯格明子进行室温电检测和操纵对于下一代低功耗自旋电子器件来说是有希望的，”他说。

效果从何而来

研究小组还深入研究了他们观察到的强大巨型二维斯格明子的可能原因。 根据他们的理论计算，他们发现Fe的自然氧化3门2-𝑥 他们研究的铁磁晶体增强了一种已知的斯格明子稳定磁效应，称为二维界面 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用 (DMI)。 因此，通过仔细控制铁的自然氧化和厚度3门2-𝑥 晶体，他们与相当大的界面 DMI 形成了可靠的氧化界面，并表明他们能够在较宽的温度窗口内产生强大的 2D 斯格明子 THE。 这并不是一件容易的事，因为过度氧化会导致晶体结构退化，而氧化不足则难以形成大的界面DMI。 这两个极端都会阻碍斯格明子的形成，从而阻碍THE的形成。

“自 2 年以来，我们的团队一直在研究二维晶体中的磁性，我们开发了许多新的磁性晶体，包括这项工作中研究的晶体，”Chang 说。 “斯格明子和拓扑霍尔效应都是非常有趣的拓扑物理现象，通常在一些磁系统中观察到，但在实际应用中存在很多固有的局限性。

“我们进行这项研究是为了尝试克服传统磁性材料的这些局限性。”

研究人员表示，他们的工作详细介绍于 中国物理快报，可能会产生一种调整 2D DMI 以控制 2D 铁磁晶体中自旋输运的通用方法。 “这还证明，氧化可以用来诱导巨大的二维，这比传统上使用的重金属和其他所谓的强自旋轨道耦合化合物要好得多，”张说。

华中团队 目前正在研究基于其二维斯格明子系统制造赛道存储器和逻辑门器件，用于高速和高密度数据存储、逻辑运算以及研究人员所说的“新概念量子计算”。

时间戳记：

更多来自 物理世界