Studerer chiral exchange drag og chirality oscillationer i syntetiske antiferromagneter

En kvasepartikel er en forstyrrelse eller excitation (f.eks. Spinbølger, bobler, osv.), der opfører sig som en partikel og derfor kan betragtes som en. Langtrækkende interaktioner mellem kvasipartikler kan give anledning til et 'træk, 'som påvirker de grundlæggende egenskaber ved mange systemer inden for kondenseret fysik.

Denne træk involverer generelt en udveksling af lineær momentum mellem kvasipartikler, som stærkt påvirker deres transportegenskaber. Forskere ved IBM og Max Planck Institute har udført en undersøgelse, der undersøger denne træk- og chiralitetsoscillationer i syntetiske antiferromagneter. I deres papir, som for nylig blev offentliggjort i Naturfysik , de definerede en ny type træk, der involverer udveksling af vinkelmoment mellem to strømdrevne magnetiske domænevægge.

"I de seneste år, Jeg har arbejdet på samspillet mellem spin-strøm og kiral magnetisk domæne-væg, hvis chiralitet er indstillet af Dzyaloshinskii-Moriya-interaktion ved grænseflade, "See-Hun Yang, en IBM -forsker, der gennemførte undersøgelsen, fortalt Phys.org .

I 2013, Yang og hans kolleger viste, at kirale domænevægge effektivt kan flyttes af en relativistisk spin-bane-interaktion induceret spin-strøm, kaldes spin-orbit drejningsmoment. Omkring samme tid, denne observation blev også rapporteret af en gruppe forskere ved MIT.

Et par år senere, Yang og hans kolleger observerede, at koblede kirale domænevægge kan bevæge sig med meget højere hastighed (~ 1 km/s) med strøm, på grund af et kraftigt vekselkoblingsmoment, når de er antiferromagnetisk koblede. Yang udviklede en model, der kunne hjælpe til bedre at forstå disse observationer og opdagede også et nyt kraftfuldt drejningsmoment kaldet vekselkoblingsmoment.

"Under datatilpasningen til min model, Jeg opdagede en mærkelig anomali -fase i et bestemt parameterrum i domænevæghastighed kontra anvendte langsgående feltkurver, der viser en høj asymmetri, "Yang forklarede." Jeg observerede, at en koblet domænevæg bliver dramatisk bremset ved negative felter, når udvekslingskoblingen er relativt svag. For eksempel, min model viste, at koblet domænehastighed kollapser fra 500 m/s ned til nul ved anvendelse af kun -50 mT felt. "

Yang fandt ud af, at den dramatiske hastighedsreduktion, der blev observeret i hans forskning, skyldtes oscillation af forskydning af koblede domænevægge. Mest interessant, han lærte, at domænevægsmagnetiseringer oscillerer/foregår på en måde, der er synkront korreleret med domænes vægforskydning.

"For at observere denne interessante romanfase, vi startede et nyt eksperiment med at forberede enheder dannet af svagt koblede syntetiske antiferromagnetiske (SAF) film, som kunne opnås ved at dyrke tyndere koboltlag, der sandwicher Ruthenium spacer i SAF, "Yang sagde." Bemærk, at Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaktion fremkalder udvekslingskobling mellem koboltlag på tværs af Ruthenium spacer lag. "

Styrken og tegnet på RKKY -interaktioner er følsomt afhængig af tykkelsen af ​​et Ruthenium -lag. Da RKKY -interaktioner kun er følsomme over for grænseflader, givet en særlig tykkelse af Ruthenium -lag, udvekslingskoblingsstyrken kan indstilles yderligere ved at tynde ned på koboltlaget under et monolag.

"I vores eksperiment, vi gengav heldigvis og straks den stærkt asymmetriske domæne væghastighed-langsgående feltkurve og dramatiske kollaps af domæne væg hastighed forudsagt af min model, som jeg var meget begejstret for dengang, "Sagde Yang." Dog, det tog mere end et år for mig fuldt ud at forstå den fysiske mekanisme i denne mærkelige fase. "

I et forsøg på bedre at forstå hans tidligere observationer, Yang brugte lang tid på at se nærmere på sin model og omskrive koblede bevægelsesligninger på flere forskellige måder. Han opdagede endelig, at den mærkelige dynamiske fase, han havde observeret, var relateret til en slags træk kaldet chiral exchange drag (CED).

"Når en strøm strømmer ind i to koblede underlag, forskellige spin-orbit drejningsmomenter udøves på kirale domænevægge, da miljøet for hver domænevæg ikke er identisk, "Yang forklaret." Følgelig, den ene kirale domænevæg bevæger sig hurtigere end den anden. Imidlertid, da deres positioner er tæt knyttet til hinanden, en hurtigere domænevæg "trækker" en langsommere. Det betyder, at de koblede domænevægge bevæger sig med mellemhastigheden, det er, gennemsnitshastighed vægtet af deres magnetiseringer. "

Denne proces giver ikke umiddelbart anledning til den mærkelige fase, som Yang observerede, da de koblede domænevægge på dette stadie stadig bevæger sig med en stabil og rimelig hastighed. Imidlertid, når trækket øges og overstiger en tærskelværdi, strukturen af ​​de kirale domænevægge bliver ustabil. I sin forskning, Yang fandt også ud af, at det anvendte langsgående felt fungerer som en knap, som kan bruges til at justere trækstyrken.

"Denne ustabile domænevægsstruktur svarer til den mærkelige dynamiske fase, og jeg kaldte det 'chiral exchange drag anomali, '"Sagde Yang." Jeg lærte, at magnetiseringen af ​​langsommere kirale domæne -vægvægge i denne fase foregår, det er, chiraliteten svinger. I det væsentlige, i denne chirale udveksling træk anomali fase, den kinetiske energi i et stort træk omdannes til en anden intern DOF med vinkelmoment, det er, azimutal rotation af domæne vægmagnetisering, hvilket fører til et dramatisk fald i den gennemsnitlige forskydning af domænevægge. "

Mens han udviklede sin model, Yang introducerede også to nye koncepter:kvasi-domæne vægge og sammensatte domæner. Kvasi-domæne vægge er fiktive domæne vægge begrænset til underlag i SAF wire, som om deres positioner er afkoblet fra hinanden, og de bevæger sig uafhængigt. Deres magnetiseringer er klædt med vekselkoblingsinteraktion, derfor, kvasi-domæne vægge ligner kvasi-partikler. Komposit domæne vægge, på den anden side, svarer til de faktiske koblede domæne vægge, der er sammensat af positionslåste kvasi-domæne vægge.

"Da jeg først beskrev disse begreber, Jeg var ikke klar over, hvor vigtige mine fund var, og hvilken indvirkning de ville have i bred fysik, "Sagde Yang." Et stykke tid senere, to yderligere indsigter om den vigtige fysiske betydning af "træk" opstod for mig, da jeg var på rejse. Den første skete, da jeg var i et tog og læste en anmeldelseartikel om Coulomb -træk. "

Omkring den tid, han gjorde denne første erkendelse, Yang havde lige opdaget, at mens CED og Coulomb -træk deler mange ligheder, de havde også betydelige forskelle. For eksempel, i modsætning til Coulomb -træk, i CED spiller kiralitet en nøglerolle, positionerne af koblede kirale domænevægge er bundet til hinanden, og de chirale domænevægge har en anden intern DOF.

"Jeg fik et andet indblik, da jeg læste et kapitel om Dirac -ligninger fra en lærebog i kvantefeltteori på et hotelværelse under en ferie, "Sagde Yang." På det tidspunkt, Jeg blev fascineret af overraskende analoger mellem mine CED og Dirac fermioner. For eksempel, kiralitet af koblede domæne vægge er konstant i CED's steady state. Dette ligner masseløse Dirac -ferimoner, der kan beskrives ved hjælp af Weyl -ligninger. I dette tilfælde, kiralitet er et godt kvantetal og konstant. På den anden side, efterhånden som Dirac fermionerne bliver massive, kiralitet er ikke længere en egenstat, så kiraliteten svinger med en oscillerende frekvens, der er lineært proportional med massen. Tilsvarende i CED -anomali -fasen oscillerer chiraliteten af ​​langsommere domænevæg med en oscillerende frekvens, der er næsten lineært proportional med nettomagnetiseringen. "

Den nye forskning udført af Yang og hans kolleger er baseret på hans tidligere arbejde og observationer. I dette studie, de brugte magneto-optisk Kerr mikroskopi til at måle de strømdrevne kirale magnetiske domæne vægge, hvilket gjorde det muligt for dem at få øje på deres position. Inden de påførte strømimpulser, de tog et Kerr -billede af ledninger mønstret af svagt koblet SAF -film.

"Efter at have påført en sekvens af et par nanosekund lange pulser på tråden, et andet Kerr -billede blev taget, "Forklarede Yang." Domænevæghastigheden kunne derefter beregnes ud fra domænevægens forskydningsafstand divideret med den aktuelle pulslængde. "

Forskerne brugte et Kerr -mikroskop udstyret med elektromagneter. Dette tillod dem at anvende magnetiske felter i planet og uden for planet under proceduren beskrevet ovenfor.

Yang og hans kolleger definerede med succes en ny form for træk, CED, som er afledt af koblede chirale magnetiske domænevægge, der er forbundet med et momentumoverførselsmoment. Ud over, de observerede, at styrken af ​​dette træk kan indstilles ved at udnytte domæne væggenes kirale karakter.

Endelig, forskerne observerede en ny domænevægs dynamisk fase, CED -anomali -fasen beskrevet ovenfor, som finder sted når trækket overstiger en tærskelværdi. Interessant nok, både CED og CED -anomali viser slående ligheder med andre trækfænomener i kondenseret fysik, såsom Coulomb -træk, såvel som med Dirac fermioner inden for højenergifysik.

"Vi er vidne til fremkomsten af ​​et spændende felt, Chiral Spintronics, ægteskabet mellem spintronics og kiralitet, som har tiltrukket enorm opmærksomhed i fysiske samfund med magnetisk og kondenseret materie, "Yang sagde." Jeg synes, at CED og CED -anomali er et fremragende eksempel på og et betydeligt bidrag til Chiral Spintronics. Jeg planlægger nu at tackle andre kirale systemer såsom chirale ferrimagneter og antiferromagneter og deres samspil med bevægelige spins. "

© 2019 Science X Network