Spintronica is een opkomend onderzoeksgebied dat zich richt op de ontwikkeling van apparaten die zenden, informatie verwerken en opslaan door gebruik te maken van het intrinsieke impulsmoment van elektronen, bekend als spin. Een hoofddoel van spintronica-onderzoeken is het identificeren van strategieën om magnetische isolatoren te gebruiken om het transport van signalen over lange afstanden te bewerkstelligen.

Magnetische isolatoren zijn een klasse van materialen die wereldwijd veel worden gebruikt, voornamelijk vanwege hun vermogen om elektrische ladingen te geleiden. Net zoals metalen elektrische ladingen geleiden, magnetische isolatoren kunnen spins geleiden. Niettemin, aangezien spins zelden worden bewaard in materialen en de neiging hebben om over lange afstanden te verdwijnen, tot dusver, het gebruik van magnetische isolatoren om transport over lange afstanden te realiseren is een grote uitdaging gebleken.

Onderzoekers hebben onlangs het langeafstandstransport van magnetische egels aangetoond, 3D-topologische spinstructuren die vaak worden waargenomen in gewone magneten. Hun werk, geschetst in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor de ontwikkeling van spintronische apparaten.

"Ons idee is om toevlucht te nemen tot topologische spintexturen in plaats van zelf te draaien voor transport over lange afstand, "Shu Zhang, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "De magnetische egel is een type topologisch beschermde spintextuur die in het algemeen naar buiten komt in driedimensionale magneten. Ons werk laat zien dat de egelstroom een ​​goed geconserveerde hoeveelheid is en kan worden onderzocht om transport over lange afstand in magnetische isolatoren te bereiken."

De recente studie van Zhang en haar collega's is gebaseerd op een theoretische constructie die bekend staat als de topologische behoudswet, waardoor de onderzoekers gebruik konden maken van het idee van hydrodynamica van topologische spintexturen. Dit idee is eerder onderzocht in een reeks onderzoeken onder leiding van natuurkundige Yaroslav Tserkovnyak.

"De belangrijkste theoretische benadering die we in onze studie hebben toegepast, is de klassieke veldentheorie, " legde Zhang uit. "We beschrijven de ruimte-tijdverdeling van de spins als een continu vectorveld, waarop de topologische texturen en hun stromingen kunnen worden gedefinieerd en bestudeerd. We ontdekten dat de wiskundige beschrijving van de egelstromen in feite een analogie is met de meest bekende veldtheorie, dat van het elektromagnetisme."

Toen ze op zoek gingen naar transport over lange afstanden, Zhang en haar collega's beschouwden specifiek een 'typische' experimenteel haalbare opstelling, waarin de stroom van een egel wordt geïnjecteerd en gedetecteerd met behulp van metalen contacten die aan de twee uiteinden van een magneet zijn bevestigd. In hun krant zij stellen voor dat in dit scenario, een magneet zou kunnen worden gezien als een geleider die de stroom van topologische spintexturen met een eindige geleiding transporteert. Dit idee benadrukt uiteindelijk het potentieel van het gebruik van magnetische isolatoren om transport over lange afstanden te realiseren.

"Ik denk dat het heel opwindend is om de mogelijkheid voor te stellen dat reguliere magnetische isolatoren kunnen worden gebruikt voor transport over lange afstanden, "Zei Zhang. "Dit zal de realisatie van verschillende spincircuits mogelijk maken met een hoge energie-efficiëntie vanwege de afwezigheid van Joule-verwarming."

In de toekomst, de studie zou andere onderzoeksteams kunnen inspireren om de transportdynamiek van topologische spintexturen verder te onderzoeken, vooral die van magnetische egels, die algemeen verkrijgbaar zijn. De ontwikkeling van effectieve strategieën om deze dynamiek te beheersen, zou uiteindelijk nieuwe mogelijkheden openen om de overdracht van informatie over lange afstanden in spintronische apparaten met behulp van 3D-magnetische materialen mogelijk te maken.

"We hopen dat onze ideeën binnenkort in experimenten worden getest, " zei Zhang. "Ons huidige werk is gebaseerd op klassieke of semiklassieke overwegingen van spins. In de toekomst, het zou interessant zijn om te zien hoe topologische spintexturen zouden kunnen bijdragen aan het transport in kwantummagneten."

© 2021 Science X Network