Natuurkundigen van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben voor het eerst een magnetisch fenomeen waargenomen dat het "anomalous spin-orbit torque" (ASOT) wordt genoemd. Professor Virginia Lorenz en promovendus Wenrui Wang, nu afgestudeerd en werkzaam als industriewetenschapper, deze opmerking gemaakt, wat aantoont dat er concurrentie bestaat tussen wat bekend staat als spin-baankoppeling en de uitlijning van een elektronenspin op de magnetisatie. Dit kan worden gezien als analoog aan het abnormale Hall-effect (AHE).

Al heel lang, natuurkundigen kennen interessante fenomenen zoals de AHE waarbij spins van een bepaalde soort zich ophopen op een filmrand. Hun accumulaties zijn detecteerbaar met elektrische metingen. Dit type experiment vereist dat de magnetisatie van de film loodrecht op het vlak van de film wijst. In feite, het Hall-effect en soortgelijke experimenten zoals de AHE in het verleden gebruiken allemaal een aangelegd magnetisch veld (voor niet-magnetische monsters) of de magnetisatie van de film (voor magnetische monsters), altijd loodrecht op het vlak van de film.

Effecten zoals de AHE waren niet gevonden voor magnetisaties die in het vlak wijzen, tot nu.

Door gebruik te maken van het magneto-optische Kerr-effect (MOKE), die de magnetisatie nabij het oppervlak van een magnetisch monster kan onderzoeken, Wang en Lorenz toonden aan dat een elektrische stroom de magnetisatie nabij het oppervlak van een ferromagnetisch monster wijzigt om in een andere richting te wijzen dan de magnetisatie van het binnenste van het monster. Het is niet per se vreemd dat de magnetisatie aan het oppervlak kan verschillen van die in het interieur, zoals blijkt uit eerdere experimenten in spin-orbit koppel. Echter, de Illinois-onderzoekers gebruikten een puur ferromagnetische film, terwijl eerdere experimenten met spin-orbit-koppel ferromagneten combineerden met metalen die een eigenschap hebben die 'spin-orbit-koppeling' wordt genoemd.

Deze ontdekking heeft gevolgen voor de energiezuinige magnetische geheugentechnologie.

De bevindingen van het team zijn gepubliceerd op 22 juli, Nummer van het tijdschrift 2019 Natuur Nanotechnologie .

Magnetisme &conventioneel draai-orbit koppel

Magnetisme is alomtegenwoordig - we gebruiken het elke dag, bijvoorbeeld, om papieren op een koelkastdeur te plakken of om ervoor te zorgen dat onze telefoonopladers niet voortijdig losraken.

microscopisch, magnetisme ontstaat uit een verzameling elektronen, die allemaal een eigenschap hebben die bekend staat als spin. Spin is een bron van impulsmoment voor elektronen en de "beweging" ervan kan worden vergeleken met hoe speelgoedtoppen draaien - hoewel in werkelijkheid in de kwantummechanica, de beweging van spin lijkt nergens op in de klassieke mechanica. Voor elektronen, spin komt in twee soorten, formeel genaamd up spin en down spin. Afhankelijk van hoe de spins gezamenlijk wijzen, een materiaal kan ferromagnetisch zijn, met naburige elektronenspins die allemaal in dezelfde richting wijzen, of antiferromagnetisch, met naburige elektronenspins die in tegengestelde richtingen wijzen. Dit zijn slechts twee van verschillende soorten magnetisme.

Maar wat gebeurt er als magnetisme wordt gecombineerd met andere fenomenen zoals spin-baankoppeling?

Lorenz merkt op, "Er is een hele reeks effecten die worden gegenereerd door simpelweg een elektrische stroom door een monster te laten lopen en de spins te scheiden. Het abnormale Hall-effect komt voor in dunne ferromagnetische films en wordt gezien als de opeenhoping van spins aan de randen van het monster. Als de magnetisatie uit het vlak van de film wijst, dat wil zeggen, loodrecht op het vlak van het monsteroppervlak - en een stroom vloeit loodrecht op de magnetisatie, dan kunnen ophopingen van spins worden gezien. Maar dit gebeurt alleen als de ferromagnetische film ook spin-baankoppeling heeft."

Spin-baankoppeling zorgt ervoor dat de spinsoorten - omhoog of omlaag - strikt in bepaalde richtingen bewegen. Als een simplistisch model, vanuit het oogpunt van elektronen die door een film bewegen, ze kunnen zich naar links of rechts verspreiden als iets hun beweging onderbreekt. interessant, de spins worden gesorteerd op basis van de richting waarin een elektron beweegt. Als de links verstrooide elektronen spin-up hebben, dan moeten de rechts verstrooide elektronen spin-down hebben en vice versa.

uiteindelijk, dit leidt tot ophoping van spins aan de ene rand van de film en neerwaartse spins die zich ophopen op de tegenoverliggende rand.

Conventioneel spin-baankoppel (SOT) is gevonden in dubbellaagse structuren van een ferromagnetische film naast een metaal met spin-baankoppeling.

Lorenz wijst erop, "Vroeger, dit is altijd gebeurd met twee lagen. Je hebt niet alleen een ferromagneet nodig, maar ook een bron voor de spins om te scheiden om een ​​verandering in de ferromagneet zelf teweeg te brengen."

Als er een stroom door het spin-baan gekoppelde metaal loopt, de op en neer spins scheiden zoals in de AHE. Een van die spinsoorten zal zich ophopen op het grensvlak waar de ferromagneet en het metaal elkaar ontmoeten. De aanwezigheid van die spins beïnvloedt de magnetisatie in de ferromagneet nabij het grensvlak door de spins daar te kantelen.

Lorenz vervolgt, "Er werd altijd aangenomen - of in ieder geval niet zwaar onderzocht - dat we deze metalen met een sterke spin-baankoppeling nodig hebben om zelfs maar een verandering in de ferromagneet te zien."

De resultaten van het experiment van Wang en Lorenz dagen deze veronderstelling nu rechtstreeks uit.

Waarneming van een abnormaal draai-orbit-koppel

Wang en Lorenz ontdekten dat het niet nodig was om een ​​metaal met spin-baankoppeling naast de ferromagnetische film te plaatsen om een ​​SOT te genereren en een magnetisatie buiten het vlak waar te nemen.

Wang opmerkingen, "Ons werk onthult een lang over het hoofd gezien fenomeen van een spin-baan, het afwijkende draai-baankoppel, of ASOT, in goed bestudeerde metallische ferromagnetische materialen zoals permalloy. De ASOT is niet alleen een aanvulling op het natuurkundige beeld van door elektrische stroom geïnduceerde spin-baaneffecten zoals het afwijkende Hall-effect, maar opent ook de mogelijkheid van een efficiëntere controle van magnetisme in op spin gebaseerde computergeheugens."

De onderzoekers lieten een stroom lopen van de ene rand van de film naar de andere kant en dwongen bovendien de magnetisatie van de film in dezelfde richting te wijzen.

De fysica hier wordt gecompliceerd door het feit dat er twee fenomenen zijn die met elkaar concurreren:magnetisatie en spin-baankoppeling. Magnetisatie werkt om de spin met zichzelf uit te lijnen; het elektron draait als een tol, maar na verloop van tijd lijnt het uit met de magnetisatie en stopt het zijn precessie. Zonder spin-baankoppeling, dit zou betekenen dat de magnetisatie aan alle randen in dezelfde richting zou wijzen. Echter, spin-baankoppeling werkt om de richting van de spin te behouden met de beweging van het elektron. Wanneer spin-baankoppeling en magnetisatie concurreren, de uitkomst is een compromis:de spin zit halverwege tussen de twee effecten.

Professor David Cahill, die ook meewerkte aan de experimenten aan de Universiteit van Illinois, legt uit:"Uiteindelijk spins die zich ophopen op het oppervlak van de film, eindigen gedeeltelijk uit het oppervlaktevlak en spins die zich ophopen op het tegenoverliggende oppervlak wijzen gedeeltelijk uit het oppervlaktevlak in de tegenovergestelde richting."

In tegenstelling tot de AH, de ASOT kan niet elektrisch worden gedetecteerd, dus Wang en Lorenz gebruikten MOKE-metingen, schieten lasers op twee blootgestelde oppervlakken om te laten zien dat de magnetisatie uit het vlak van het oppervlak wees.

Lorenz dankt haar medewerker, Professor Xin Fan van de Universiteit van Denver, met het bedenken van dit experiment.

ventilator legt uit, "MOKE is een effect om de verandering in polarisatie te beschrijven als het licht wordt gereflecteerd door het oppervlak van een magnetisch materiaal. De polarisatieverandering is direct gecorreleerd met de magnetisatie en licht heeft een kleine penetratiediepte in het monster, waardoor het populair is om te gebruiken als oppervlaktesonde voor magnetisatie."

Maar dat is niet alles. De onderzoekers merkten op dat de uitwisselingsinteractie de effecten van ASOT kan onderdrukken, dus kozen ze zorgvuldig een monster dat dik genoeg was zodat de spins aan de twee zijden van het monster elkaar niet konden dwingen om in dezelfde richting te wijzen.

Wang en Lorenz toonden aan dat op de twee oppervlakken van de film waar spins zich ophopen, dezelfde Kerr-rotatie wordt waargenomen. Technisch gezien, de Kerr-rotatie verwijst naar hoe het gereflecteerde licht zijn polarisatie verandert, wat direct gecorreleerd is met hoe de magnetisatie uit het vlak van de permalloy-film wordt geroteerd. Dit is het onbetwistbare bewijs van ASOT.

Aanvullende bevestiging van de onderzoeksresultaten komt uit theoretisch werk. De onderzoekers hebben simulaties uitgevoerd met behulp van hun fenomenologische model om aan te tonen dat er een sterke overeenkomst is met hun gegevens. Aanvullend, Theoretische medewerkers hebben ook de dichtheidsfunctionaaltheorie gebruikt - een soort modellering die microscopisch naar atomen kijkt in plaats van de eigenschappen van objecten aan te nemen - om kwalitatieve overeenstemming met het experiment aan te tonen.

Lorenz merkt op dat Hendrick Ohldag, adjunct-hoogleraar aan de Stanford University en Lawrence Lab Staff Scientist, baanbrekende bijdragen heeft geleverd aan de opzet van het experiment. Lorenz zegt dat het experiment ook profiteerde van bijdragen van medewerkers van het Illinois Materials Research Science and Engineering Center, de Universiteit van Denver, de Universiteit van Delaware, en het National Institute of Standards and Technology in Maryland en Colorado.

Lorenz benadrukt, "Wat we nu hebben aangetoond, is dat een ferromagneet een verandering in zijn eigen magnetisatie kan veroorzaken. Dit zou een zegen kunnen zijn voor het onderzoek en de ontwikkeling van magnetische geheugentechnologie."

Fan voegt toe, "Hoewel is aangetoond dat het spin-orbitkoppel in ferromagneet / metalen dubbellagen een groot potentieel heeft in magnetische geheugens van de toekomstige generatie, vanwege de elektrische controle van magnetisatie, ons resultaat laat zien dat de ferromagneet op zichzelf een zeer sterk spin-orbit-koppel kan genereren. Als we de spin-baankoppeling van de ferromagneet zelf goed kunnen benutten, kunnen we misschien meer energie-efficiënte magnetische geheugens bouwen."