Onderzoekers van de Tohoku University en het Japan Atomic Energy Agency (JAEA) hebben een nieuw spintronisch fenomeen ontdekt:een aanhoudende rotatie van de chirale-spinstructuur.

Hun ontdekking werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen op 13 mei, 2021.

Tohoku University en JAEA-onderzoekers bestudeerden de respons van de chirale-spinstructuur van een niet-collineaire antiferromagneet Mn ₃ Sn dunne film naar elektron spin-injectie en ontdekte dat de chirale spin-structuur aanhoudende rotatie vertoont bij een magnetisch veld van nul. Bovendien, hun frequentie kan worden afgestemd door de aangelegde stroom.

"De elektrische controle van magnetische structuren is de laatste kwart eeuw van het grootste belang geweest in de spintronica-gemeenschap. Het hier getoonde fenomeen biedt een zeer efficiënt schema om magnetische structuren te manipuleren, nieuwe toepassingsmogelijkheden bieden, zoals oscillatoren, willekeurige nummergeneratoren, en niet-vluchtig geheugen, " zei professor Shunsuke Fukami, die het project leidde.

Figuur 1 vergelijkt de efficiëntie van het manipuleren van de magnetische structuur op een niet-collineaire antiferromagneet, zoals te zien is in het huidige werk, met die gerapporteerd voor andere materiële systemen. De stroomgeïnduceerde chirale-spinrotatie is veel efficiënter, zelfs voor dikke magnetische lagen boven 20 nm.

De schema's van chirale-spin rotatie en de experimentele opstelling worden getoond in figuur 2.

De onderzoekers gebruikten een hoogwaardige heterostructuur bestaande uit niet-collineaire antiferromagneet Mn ₃ Sn ingeklemd tussen zware metalen W/Ta en Pt. Ze onthulden dat, wanneer een stroom wordt toegepast op de heterostructuur, de chirale-spinstructuur roteert voortdurend met een magnetisch veld van nul vanwege het koppel dat afkomstig is van de spinstroom die wordt gegenereerd in de zware metalen. In de tussentijd, de rotatiefrequentie, meestal boven 1 GHz, hangt af van de toegepaste stroom.

Spintronica is een interdisciplinair vakgebied, waar elektrische en magnetische vrijheidsgraden van elektronen gelijktijdig worden gebruikt, waardoor een elektrische manipulatie van de magnetische structuur mogelijk is. Representatieve schema's die tot nu toe zijn vastgesteld, zijn samengevat in figuur 3.

Magnetisatie schakelen, magnetische faseovergang, oscillatie, en resonantie zijn waargenomen in ferromagneten, die veelbelovend zijn omdat ze kunnen leiden tot de realisatie van functionele apparaten in niet-vluchtig geheugen, draadloze communicatie, enzovoort.

Aanvullend, in antiferromagneten, de 90-graden rotatie van Néel-vector in collineaire systemen en de 180 graden omschakeling van chirale spin-structuren in niet-collineaire systemen zijn recentelijk waargenomen. De aanhoudende rotatie van de chirale spin in het huidige werk is totaal verschillend van alle eerder gevonden verschijnselen en zou dus een nieuwe horizon van het spintronica-onderzoek moeten openen.

"Het verkregen inzicht is niet alleen interessant in termen van natuurkunde en materiaalkunde, maar ook aantrekkelijk voor functionele apparaattoepassingen, " voegde Dr. Yutaro Takeuchi toe, de eerste auteur van het artikel. "We willen de materiaal- en apparaattechniek in de nabije toekomst verder verbeteren en nieuwe functionele apparaten demonstreren, zoals een afstembare oscillator en hoogwaardige echte random number generator."