Een quasideeltje is een verstoring of excitatie (bijv. spingolven, bubbels, etc.) dat zich gedraagt ​​als een deeltje en daarom als een deeltje kan worden beschouwd. Interacties op lange afstand tussen quasideeltjes kunnen aanleiding geven tot een 'slepen, ' die de fundamentele eigenschappen van veel systemen in de fysica van de gecondenseerde materie beïnvloedt.

Deze weerstand omvat over het algemeen een uitwisseling van lineair momentum tussen quasideeltjes, die hun transporteigenschappen sterk beïnvloeden. Onderzoekers van IBM en het Max Planck Institute hebben een onderzoek uitgevoerd naar deze weerstands- en chiraliteitsoscillaties in synthetische antiferromagneten. In hun krant die onlangs werd gepubliceerd in Natuurfysica , ze definieerden een nieuw type weerstand waarbij impulsmoment tussen twee stroomgestuurde magnetische domeinwanden wordt uitgewisseld.

"In recente jaren, Ik heb gewerkt aan het samenspel van spinstroom met chirale magnetische domeinwand waarvan de chiraliteit wordt bepaald door Dzyaloshinskii-Moriya-interactie op interface, "Zie-Hun Yang, een IBM-onderzoeker die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org .

In 2013, Yang en zijn collega's toonden aan dat chirale domeinwanden efficiënt kunnen worden verplaatst door een relativistische spin-baan interactie geïnduceerde spinstroom, spin-orbit-koppel genoemd. Rond dezelfde tijd, deze observatie werd ook gemeld door een groep onderzoekers van het MIT.

Een paar jaar later, Yang en zijn collega's merkten op dat gekoppelde chirale domeinwanden met een veel hogere snelheid (~ 1 km/s) door stroom kunnen bewegen, door een krachtig wisselkoppelkoppel wanneer ze antiferromagnetisch gekoppeld zijn. Yang ontwikkelde een model dat zou kunnen helpen deze waarnemingen beter te begrijpen en ontdekte ook een nieuw krachtig koppel dat uitwisselingskoppelkoppel wordt genoemd.

"Tijdens het passen van de gegevens met mijn model, Ik zag een vreemde anomaliefase in een bepaalde parameterruimte in domeinwandsnelheid versus toegepaste longitudinale veldcurven die een hoge asymmetrie vertonen, " legde Yang uit. "Ik merkte op dat een gekoppelde domeinmuur dramatisch vertraagd wordt bij negatieve velden wanneer de uitwisselingskoppeling relatief zwak is. Bijvoorbeeld, mijn model toonde aan dat gekoppelde domeinsnelheid instort van 500 m/s tot nul door toepassing van slechts -50 mT veld."

Yang ontdekte dat de dramatische vermindering van de snelheid die in zijn onderzoek werd waargenomen, te wijten was aan oscillatie van de verplaatsing van gekoppelde domeinwanden. Het meest interessante, hij leerde dat magnetisaties van domeinwanden oscilleren/precesseren op een manier die synchroon gecorreleerd is met de verplaatsing van domeinwanden.

"Om deze interessante nieuwe fase te observeren, we zijn een nieuw experiment begonnen door apparaten te maken die zijn gevormd uit zwak gekoppelde synthetische antiferromagnetische (SAF) films, wat zou kunnen worden bereikt door dunnere kobaltlagen te laten groeien met ruthenium-spacer in SAF, " zei Yang. "Merk op dat Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interactie uitwisselingskoppeling induceert tussen kobaltlagen over de Ruthenium-afstandslaag."

De sterkte en het teken van RKKY-interacties zijn gevoelig afhankelijk van de dikte van een rutheniumlaag. Aangezien RKKY-interacties alleen gevoelig zijn voor interfaces, gegeven een bepaalde rutheniumlaagdikte, de uitwisselingskoppelingssterkte kan verder worden afgestemd door de kobaltlaag onder één monolaag te verdunnen.

"Bij ons experiment we hebben gelukkig en onmiddellijk de zeer asymmetrische domeinwandsnelheid-longitudinale veldcurve en dramatische ineenstorting van de domeinwandsnelheid voorspeld door mijn model gereproduceerd, waar ik toen erg enthousiast over was, " zei Yang. "Echter, het duurde meer dan een jaar voordat ik het fysieke mechanisme van deze vreemde fase volledig begreep."

In een poging om zijn eerdere observaties beter te begrijpen, Yang besteedde veel tijd aan het bestuderen van zijn model en het herschrijven van gekoppelde bewegingsvergelijkingen op verschillende manieren. Uiteindelijk ontdekte hij dat de vreemde dynamische fase die hij had waargenomen verband hield met een soort weerstand die chirale uitwisselingsweerstand (CED) wordt genoemd.

"Als een stroom in twee gekoppelde sublagen vloeit, verschillende spin-orbit koppels worden uitgeoefend op chirale domeinwanden aangezien de omgeving voor elke domeinwand niet identiek is, " legde Yang uit. "Daarom, de ene chirale domeinmuur beweegt sneller dan de andere. Echter, omdat hun posities nauw met elkaar verbonden zijn, een snellere domeinmuur "sleept" een langzamere. Dit betekent dat de gekoppelde domeinwanden met de tussenliggende snelheid bewegen, dat is, gemiddelde snelheid gewogen door hun magnetisaties."

Dit proces geeft niet meteen aanleiding tot de vreemde fase die door Yang wordt waargenomen, aangezien in dit stadium de gekoppelde domeinmuren nog steeds met een constante en redelijke snelheid bewegen. Echter, naarmate de weerstand toeneemt en een drempelwaarde overschrijdt, de structuur van de chirale domeinwanden wordt onstabiel. In zijn onderzoek, Yang ontdekte ook dat het aangelegde longitudinale veld als een knop werkt, die kan worden gebruikt om de weerstand af te stemmen.

"Deze onstabiele domeinwandstructuur komt overeen met de vreemde dynamische fase, en ik noemde het 'chirale uitwisseling drag anomalie, '" zei Yang. "Ik heb geleerd dat in deze fase de magnetisatie van langzamere chirale domeinwandprocessen, dat is, de chiraliteit oscilleert. Eigenlijk, in deze chirale uitwisselingsdrag anomalie fase, de kinetische energie van een grote weerstand wordt omgezet in een andere interne DOF van impulsmoment, dat is, azimutale rotatie van domeinwandmagnetisatie, wat leidt tot een dramatische daling van de gemiddelde verplaatsing van domeinmuren."

Terwijl hij zijn model aan het ontwikkelen was, Yang introduceerde ook twee nieuwe concepten:quasi-domeinmuren en samengestelde domeinen. Quasi-domeinmuren zijn fictieve domeinmuren die zijn beperkt tot sublagen in SAF-draad, alsof hun posities van elkaar zijn losgekoppeld en ze onafhankelijk van elkaar bewegen. Hun magnetisaties zijn gekleed met wisselkoppelingsinteractie, daarom, quasi-domeinwanden zijn vergelijkbaar met quasi-deeltjes. Samengestelde domeinmuren, anderzijds, komen overeen met de eigenlijke gekoppelde domeinmuren die zijn samengesteld uit quasi-domeinmuren met positievergrendeling.

"Toen ik deze concepten voor het eerst beschreef, Ik realiseerde me niet hoe belangrijk mijn bevindingen waren en welke impact ze zouden hebben op de brede natuurkunde, ' zei Yang. 'Enige tijd later, twee andere inzichten over de belangrijke fysieke betekenis van 'slepen' kwamen bij me op toen ik op reis was. De eerste vond plaats toen ik in een trein een recensie artikel las over Coulomb drag."

Rond de tijd dat hij deze eerste realisatie maakte, Yang had net ontdekt dat hoewel CED en Coulomb drag veel overeenkomsten vertonen, ze hadden ook aanzienlijke verschillen. Bijvoorbeeld, in tegenstelling tot Coulomb-weerstand, in CED speelt chiraliteit een sleutelrol, de posities van gekoppelde chirale domeinwanden zijn aan elkaar gebonden, en de chirale domeinwanden hebben nog een interne DOF.

"Ik kreeg een tweede inzicht toen ik tijdens een vakantie in een hotelkamer een hoofdstuk las over Dirac-vergelijkingen uit een leerboek over kwantumveldentheorie, " zei Yang. "In die tijd, Ik was geïntrigeerd door verrassende analogen tussen mijn CED- en Dirac-fermionen. Bijvoorbeeld, chiraliteit van gekoppelde domeinwanden is constant in de stabiele toestand van CED. Dit is vergelijkbaar met massaloze Dirac-ferimons die kunnen worden beschreven door Weyl-vergelijkingen. In dit geval, chiraliteit is een goed kwantumgetal en een constante. Anderzijds, als de Dirac-fermionen massief worden, chiraliteit is niet langer een eigentoestand zodat de chiraliteit oscilleert met een oscillerende frequentie die lineair evenredig is met de massa. evenzo, in de CED-anomaliefase oscilleert de chiraliteit van de langzamere domeinwand met een oscillerende frequentie die bijna lineair evenredig is met de netto magnetisatie."

Het nieuwe onderzoek van Yang en zijn collega's is gebaseerd op zijn eerdere werk en observaties. In dit onderzoek, ze gebruikten magneto-optische Kerr-microscopie om de stroomgestuurde chirale magnetische domeinwanden te meten, waardoor ze hun positie konden herkennen. Voordat ze stroompulsen toepasten, ze namen een Kerr-afbeelding van draden met een patroon van zwak gekoppelde SAF-film.

"Na het toepassen van een reeks pulsen van enkele nanoseconden op de draad, er is nog een Kerr-foto gemaakt, Yang legde uit. "De snelheid van de domeinwand kon dan worden berekend uit de verplaatsingsafstand van de domeinwand gedeeld door de huidige pulslengte."

De onderzoekers gebruikten een Kerr-microscoop uitgerust met elektromagneten. Hierdoor konden ze in-plan en out-of-plan magnetische velden toepassen tijdens de hierboven beschreven procedure.

Yang en zijn collega's hebben met succes een nieuwe vorm van slepen gedefinieerd, CED, die is afgeleid van gekoppelde chirale magnetische domeinwanden die zijn geassocieerd met een impulsmomentoverdrachtskoppel. In aanvulling, ze merkten op dat de sterkte van deze weerstand kan worden afgestemd door gebruik te maken van de chirale aard van domeinmuren.

Eindelijk, de onderzoekers observeerden een nieuwe dynamische fase van de domeinmuur, de hierboven beschreven CED-anomaliefase, die plaatsvindt wanneer de weerstand een drempelwaarde overschrijdt. interessant, zowel de CED- als de CED-anomalie vertonen opvallende overeenkomsten met andere weerstandsverschijnselen in de fysica van de gecondenseerde materie, zoals Coulomb-slepen, evenals met Dirac-fermionen in hoge-energiefysica.

"We zijn getuige van de opkomst van een opwindend veld, chirale spintronica, het huwelijk van spintronica met chiraliteit, die enorme aandacht heeft getrokken in gemeenschappen van magnetische en gecondenseerde materie, " zei Yang. "Ik denk dat CED en CED anomalie een uitstekend voorbeeld zijn van en een belangrijke bijdrage leveren aan Chiral Spintronics. Ik ben nu van plan om andere chirale systemen aan te pakken, zoals chirale ferrimagnetten en antiferromagneten en hun wisselwerking met bewegende spins."

© 2019 Wetenschap X Netwerk