Et drejningsmoment på konventionel magnetisk visdom

Fysikere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har observeret et magnetisk fænomen kaldet "anomalous spin-orbit torque" (ASOT) for første gang. Professor Virginia Lorenz og kandidatstuderende Wenrui Wang, nu uddannet og ansat som industriforsker, lavede denne observation, demonstrerer, at der eksisterer konkurrence mellem det, der er kendt som spin-orbit-kobling og justeringen af ​​et elektronspin til magnetiseringen. Dette kan betragtes som analogt med den anomale Hall -effekt (AHE).

I lang tid nu, fysikere har kendt til interessante fænomener såsom AHE, hvor spins af en bestemt art akkumuleres på en filmkant. Deres ophobninger kan detekteres med elektriske målinger. Denne type eksperiment kræver, at filmens magnetisering peger vinkelret på filmens plan. Faktisk, Hall-effekten og lignende eksperimenter, såsom AHE i fortiden, bruger alle et påført magnetfelt (for ikke-magnetiske prøver) eller magnetisering af filmen (for magnetiske prøver), altid vinkelret på filmens plan.

Effekter som AHE var ikke fundet til magnetiseringer, der peger i flyet, indtil nu.

Ved at drage fordel af den magneto-optiske Kerr-effekt (MOKE), som kan sondere magnetiseringen nær overfladen af ​​en magnetisk prøve, Wang og Lorenz demonstrerede, at en elektrisk strøm ændrer magnetiseringen nær overfladen af ​​en ferromagnetisk prøve for at pege i en anden retning end magnetiseringen af ​​prøvens indre. Det er ikke nødvendigvis mærkeligt, at magnetiseringen nær overfladen kan afvige fra den i det indre, som bevist af tidligere eksperimenter i spin-orbit drejningsmoment. Imidlertid, Illinois-forskerne brugte en ren ferromagnetisk film, hvorimod tidligere eksperimenter i spin-orbit drejningsmoment kombinerede ferromagneter med metaller, der har en egenskab kaldet "spin-orbit kobling."

Denne opdagelse har konsekvenser for energieffektiv magnetisk hukommelsesteknologi.

Holdets resultater offentliggøres den 22. juli, 2019 udgave af tidsskriftet Natur nanoteknologi .

Magnetisme og konventionelt spin-orbit drejningsmoment

Magnetisme er allestedsnærværende - vi bruger det hver dag, for eksempel, for at klæbe papirer til en køleskabsdør eller for at sikre, at vores telefonopladere ikke løsner sig for tidligt.

Mikroskopisk, magnetisme opstår fra en samling elektroner, som alle har en egenskab kendt som spin. Spin er en kilde til vinkelmoment for elektroner, og dets "bevægelse" kan sammenlignes med hvordan legetøjstoppe drejer - selv om det i virkeligheden er i kvantemekanik, bevægelsen af ​​spin ligner ikke noget i klassisk mekanik. For elektroner, spin kommer i to arter, formelt kaldet up spin og down spin. Afhængigt af hvordan spins samlet peger, et materiale kan være ferromagnetisk, have elektroner i nærheden, der alle peger i samme retning, eller antiferromagnetisk, have nabonære elektronspins, der peger i modsatte retninger. Disse er blot to af flere typer magnetisme.

Men hvad sker der, når magnetisme kombineres med andre fænomener såsom spin-orbit-kobling?

Lorenz bemærker, "Der er en hel familie af effekter, der genereres ved blot at føre en elektrisk strøm gennem en prøve og få spinnene adskilt. Den unormale Hall-effekt opstår i tynde ferromagnetiske film og ses som akkumulering af spins på prøvens kanter. Hvis magnetiseringen peger ud af filmens plan - dvs. vinkelret på prøveoverfladens plan - og en strøm strømmer vinkelret på magnetiseringen, så kan ophobninger af spins ses. Men dette sker kun, hvis den ferromagnetiske film også har en spin-orbit-kobling. "

Spin-kredsløbskobling får spin-arterne-op eller ned-til at bevæge sig strengt i bestemte retninger. Som en forenklet model, fra synspunktet om elektroner, der bevæger sig gennem en film, de kan sprede sig til venstre eller højre, hvis noget afbryder deres bevægelse. Interessant nok, spinsene er sorteret ud fra den retning, en elektron bevæger sig. Hvis de venstre-spredte elektroner har spin op, så skal de højrespredte elektroner have spin ned og omvendt.

Ultimativt, dette fører til opadgående spins, der samler sig på den ene kant af filmen, og nedadspin, der samler sig på den modsatte kant.

Der er fundet konventionelt spin-orbit-drejningsmoment (SOT) i dobbeltlagsstrukturer i en ferromagnetisk film ved siden af ​​et metal med spin-orbit-kobling.

Lorenz påpeger, "I fortiden, dette er altid sket med to lag. Du behøver ikke bare en ferromagnet, men også en kilde til spinnene for at adskille for at fremkalde en ændring i selve ferromagneten. "

Hvis en strøm løber gennem det spin-kredsløb koblede metal, op- og ned-spindene adskilles ligesom i AHE. En af disse spin-arter vil akkumulere ved grænsefladen, hvor ferromagneten og metallet mødes. Tilstedeværelsen af ​​disse spins påvirker magnetiseringen i ferromagneten nær grænsefladen ved at vippe spinsene der.

Lorenz fortsætter, "Det blev altid antaget - eller i det mindste ikke undersøgt meget - at vi har brug for disse metaller med en stærk spin-kredsløbskobling for overhovedet at se en ændring i ferromagneten."

Resultaterne af Wang og Lorenz eksperiment udfordrer nu denne antagelse direkte.

Observation af et unormalt spin-orbit-drejningsmoment

Wang og Lorenz fandt ud af, at det var unødvendigt at placere et metal med spin-orbit-kobling ved siden af ​​den ferromagnetiske film for at generere en SOT og observere en magnetisering uden for planet.

Wang kommentarer, "Vores arbejde afslører et længe overset fænomen med spin-kredsløb, det unormale spin-orbit drejningsmoment, eller ASOT, i velundersøgte metalliske ferromagnetiske materialer såsom permalloy. ASOT'en komplementerer ikke kun fysikbilledet af elektrisk strøm-inducerede spin-orbit-effekter såsom den unormale Hall-effekt, men åbner også muligheden for mere effektiv kontrol af magnetisme i spin-baserede computerhukommelser."

Forskerne kørte en strøm fra den ene kant af filmen til dens modsatte side og tvang desuden magnetiseringen af ​​filmen til at pege i samme retning.

Fysikken her kompliceres af det faktum, at der er to fænomener, der konkurrerer - magnetisering og spin-kredsløbskobling. Magnetisering arbejder på at bringe spindet på linje med sig selv; elektronen snurrer som en top, men over tid stemmer den overens med magnetiseringen og stopper dens presession. Uden spin-orbit kobling, dette ville betyde, at magnetiseringen på alle kanter ville pege i samme retning. Imidlertid, spin-orbit-kobling arbejder på at opretholde spinets retning med elektronens bevægelse. Når spin-kredsløbskobling og magnetisering konkurrerer, resultatet er et kompromis:spindet er halvvejs mellem de to effekter.

Professor David Cahill, som også samarbejdede om eksperimenterne ved University of Illinois, forklarer:"I sidste ende, spin, der samler sig på overfladen af ​​filmen, ender med at pege delvist ud af overfladeplanet, og spin, der samler sig på den modsat vendende overflade, peger delvist ud af overfladeplanet i den modsatte retning."

I modsætning til AHE, ASOT kan ikke detekteres elektrisk, så Wang og Lorenz anvendte MOKE -målinger, skyde lasere på to udsatte overflader for at vise, at magnetiseringen pegede ud af overfladens plan.

Lorenz krediterer sin samarbejdspartner, Professor Xin Fan fra University of Denver, med udformningen af ​​dette eksperiment.

Fan forklarer, "MOKE er en effekt til at beskrive ændringen i polarisation, da lyset reflekteres fra overfladen af ​​et magnetisk materiale. Polarisationsændringen er direkte korreleret til magnetiseringen, og lyset har en lille penetrationsdybde i prøven, hvilket gør den populær at bruge som overfladesonde til magnetisering."

Men det er ikke alt. Forskerne bemærkede, at udvekslingsinteraktionen kan undertrykke virkningerne af ASOT, så de valgte omhyggeligt en prøve, der var tyk nok til, at spindene på de to sider af prøven ikke kunne tvinge hinanden til at pege i samme retning.

Wang og Lorenz demonstrerede, at på de to overflader af filmen, hvor centrifugeringer samler sig, den samme Kerr -rotation observeres. Teknisk set, Kerr-rotationen refererer til, hvordan det reflekterede lys ændrer sin polarisering, hvilket er direkte korreleret med hvordan magnetiseringen drejes ud af permalloyfilmens plan. Dette er et ubestrideligt bevis på ASOT.

Yderligere bekræftelse af forskningsresultaterne kommer fra teoretisk arbejde. Forskerne har kørt simuleringer ved hjælp af deres fænomenologiske model for at vise, at der er stærk overensstemmelse med deres data. Derudover teoretiker -samarbejdspartnere har også brugt tæthedsfunktionel teori - en type modellering, der ser mikroskopisk på atomer frem for at antage objekternes egenskaber - til at vise kvalitativ overensstemmelse med eksperiment.

Lorenz bemærker, at Stanford University Adjunct Professor og Lawrence Lab Staff Scientist Hendrick Ohldag ydede afgørende bidrag til udformningen af ​​eksperimentet. Lorenz siger, at eksperimentet også nød godt af bidrag fra samarbejdspartnere ved Illinois Materials Research Science and Engineering Center, universitetet i Denver, University of Delaware, og National Institute of Standards and Technology i Maryland og Colorado.

Lorenz understreger, "Det, vi har vist nu, er, at en ferromagnet kan inducere en ændring i sin egen magnetisering. Dette kan være en velsignelse for forskning og udvikling af magnetisk hukommelsesteknologi."

Fan tilføjer, "Mens spin-orbit drejningsmoment i ferromagnet/metal dobbeltlag har vist sig at have et stort potentiale i fremtidig generation af magnetiske hukommelser, på grund af den elektriske styring af magnetisering, vores resultat viser, at ferromagneten kan generere et meget stærkt drejningsmoment med spin-kredsløb på sig selv. Hvis vi korrekt kan udnytte spin-kredsløbskoblingen af ​​selve ferromagneten, vi kan muligvis bygge mere energieffektive magnetiske hukommelser."