Skyrmions udvikling i Ir/Fe/Co/Pt flerlag og deres topologiske Hall -signatur

Magnetiske skyrmions er små enheder, manifesterer sig i magnetiske materialer, der består af lokaliserede vendinger i mediets magnetiseringsretning. Hver skyrmion er yderst stabil, fordi eliminering kræver, at materialets magnetiseringsretning afvikles, ligesom en knude på en snor kun kan løsnes ved at trække resten af ​​snoren ud af knuden. Magnetiske skyrmions er en lovende kandidat til næste generations magnetiske lagerenheder på grund af deres stabilitet og lille størrelse-med bredder på 50 nanometer eller mindre, de optager kun en brøkdel af arealet af magnetiske bits i nuværende harddiske. Af denne grund, forskere har intensivt søgt efter materialer, der kan indeholde magnetiske skyrmions, og studerer deres elektriske og magnetiske egenskaber.

For nylig, et vigtigt gennembrud i forståelsen af ​​magnetiske skyrmions adfærd er blevet annonceret af et team af forskere i Singapore og Israel. De har vist, for første gang, at tilstedeværelsen af ​​magnetiske skyrmions utvetydigt er knyttet til et fænomen kendt som den topologiske Hall -effekt, som beskriver hvordan elektriske strømme afledes af et spirende magnetfelt i en skyrmion. Værket blev offentliggjort i marts 2019 i tidsskriftet Naturkommunikation .

Teamet undersøgte et syntetisk nanomateriale, der er optimeret til at være vært for magnetiske skyrmions, sammensat af på hinanden følgende lag af iridium, jern, kobolt, og platin, hver har en tykkelse på et nanometer eller mindre. I 2017, det samme nanomateriale havde givet de tidligste beviser for den topologiske Hall -effekt ved stuetemperatur, observeret af forskergruppen Christos Panagopoulos ved Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), der også ledede det nuværende arbejde. Professor Panagopoulos og hans medarbejdere viste, at nanomaterialets Hall-resistivitet-forholdet mellem tværspænding og elektrisk strøm i nærvær af et magnetfelt-indeholdt anomalier, der var vanskelige at forklare undtagen ved effekten af ​​magnetiske skyrmions.

"Det interessante ved måden, hvorpå skyrmions påvirker Hall -resistiviteten, er, at det afhænger af, hvordan magnetiseringen vrider sig omkring hver skyrmion, "forklarer Panagopoulos." Matematisk, sådanne vendinger kaldes 'topologiske' funktioner, derfor omtales det fysiske fænomen som den 'topologiske Hall -effekt'. "

Imidlertid, nogle aspekter af 2017 -eksperimenterne var fortsat svære at forklare. Dataene syntes at indikere, at anomalierne i Hall -resistiviteten var 100 gange større end teoretiske forudsigelser baseret på den topologiske Hall -effekt. For at etablere en bestemt forbindelse, de elektriske målinger skulle omhyggeligt matches med direkte observationer af magnetiske skyrmions. For at opnå dette, Panagopoulos -gruppen samarbejdede med laboratoriet i Ophir Auslaender ved Technion, Israel Institute of Technology. Ved hjælp af et topmoderne magnetisk kraftmikroskop med lav temperatur, Auslaender -gruppen opnåede meget præcise billeder af skyrmions i nanomaterialet. Især de fandt ud af, at visse "ormlignende" magnetiseringsmønstre blev dannet af flere skyrmions, der var forbundet sammen.

Ved at kombinere elektriske Hall -målinger og magnetisk billeddannelse, samarbejdet formåede at reducere forskellen mellem teori og eksperiment betydeligt. "Det første, vi indså, var, at antallet af magnetiske skyrmions var blevet undervurderet med en faktor ti, "siger M. Raju, en stipendiat ved NTU, der er en af ​​hovedforfatterne til undersøgelsen. "Graver dybere, vi kunne vise, at antallet af magnetiske skyrmions er direkte proportionalt med den topologiske Hall -resistivitet. Dette giver afgørende bevis for, at skyhyrerne er ansvarlige, ikke et andet fænomen, der ikke er redegjort for. "

På trods af dette fremskridt, Professor Panagopoulos bemærker, at den topologiske Hall -resistivitet forbliver højere end teorien forudsiger, og antyder, at den resterende uoverensstemmelse kan være et spørgsmål om teoretiske begrænsninger. "Det topologiske Hall -effekt -koncept er baseret på antagelser, såsom adiabaticity, der er teoretisk bekvemme, men muligvis ikke er nøjagtige for rigtige materialer, "bemærker han." Ved hjælp af disse forbedrede eksperimentelle metoder, vi bygger en mere sofistikeret forståelse af, hvordan elektriske ladninger interagerer med magnetisk spin i disse vigtige og teknologisk lovende materialer. "