Et nyt spintronisk fænomen:Chiral-spin rotation fundet i ikke-kollineær antiferromagnet

Forskere ved Tohoku University og Japan Atomic Energy Agency (JAEA) har opdaget et nyt spintronisk fænomen - en vedvarende rotation af chiral-spin struktur.

Deres opdagelse blev offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer den 13. maj, 2021.

Tohoku University og JAEA forskere undersøgte responsen af ​​chiral-spin struktur af en ikke-kollineær antiferromagnet Mn ₃ Sn tynd film til elektronspin-injektion og fandt, at den chirale spin-struktur viser vedvarende rotation ved nul magnetfelt. I øvrigt, deres frekvens kan indstilles af den påførte strøm.

"Den elektriske kontrol af magnetiske strukturer har været af største interesse i spintronics-samfundet i det sidste kvarte århundrede. Fænomenet vist her giver et meget effektivt skema til at manipulere magnetiske strukturer, giver nye muligheder for anvendelse, såsom oscillatorer, tilfældige tal generatorer, og ikke-flygtig hukommelse, " sagde professor Shunsuke Fukami, der stod i spidsen for projektet.

Figur 1 sammenligner effektiviteten af ​​at manipulere den magnetiske struktur på en ikke-kollineær antiferromagnet, som det ses i nærværende værk, med dem, der er rapporteret for andre materialesystemer. Den strøminducerede chiral-spin-rotation er meget mere effektiv selv for tykke magnetiske lag over 20 nm.

Skemaet for chiral-spin-rotation såvel som den eksperimentelle opsætning er vist i figur 2.

Forskerne brugte en heterostruktur af høj kvalitet bestående af ikke-kollineær antiferromagnet Mn ₃ Sn klemt mellem tungmetaller W/Ta og Pt. De afslørede, at når en strøm påføres heterostrukturen, den chirale-spin-struktur roterer vedvarende ved nul magnetfelt på grund af drejningsmomentet, der stammer fra spinstrømmen, der genereres i tungmetallerne. I mellemtiden rotationsfrekvensen, typisk over 1 GHz, afhænger af den anvendte strøm.

Spintronics er et tværfagligt område, hvor elektriske og magnetiske frihedsgrader for elektroner bruges samtidigt, giver mulighed for en elektrisk manipulation af magnetiske strukturer. Repræsentative ordninger etableret indtil videre er opsummeret i figur 3.

Magnetiseringsskift, magnetisk faseovergang, svingning, og resonans er blevet observeret i ferromagneter, som er lovende, da de kan føre til realisering af funktionelle enheder i ikke-flygtig hukommelse, trådløs kommunikation, og så videre.

Derudover i antiferromagneter, 90-graders rotation af Néel-vektor i collineære systemer og 180 graders omskiftning af chiral-spin-strukturer i ikke-kollineære systemer er blevet observeret for nylig. Den chiral-spin vedvarende rotation i det nuværende arbejde er totalt forskellig fra alle de tidligere fundne fænomener og burde derfor åbne en ny horisont for spintronikforskningen.

"Den opnåede indsigt er ikke kun interessant med hensyn til fysik og materialevidenskab, men også attraktiv for funktionelle enhedsapplikationer, " tilføjede Dr. Yutaro Takeuchi, avisens første forfatter. "Vi vil gerne forbedre materialet og enhedsteknikken yderligere i den nærmeste fremtid og demonstrere nye funktionelle enheder såsom tunbar oscillator og højkvalitets generator til tilfældige tal."