En kvasipartikel är en störning eller excitation (t.ex. spinnvågor, bubblor, etc.) som beter sig som en partikel och därför skulle kunna betraktas som en. Långdistansinteraktioner mellan kvasipartiklar kan ge upphov till ett "drag, ' som påverkar de grundläggande egenskaperna hos många system inom den kondenserade materiens fysik.

Detta motstånd involverar i allmänhet ett utbyte av linjärt momentum mellan kvasipartiklar, vilket starkt påverkar deras transportegenskaper. Forskare vid IBM och Max Planck Institute har genomfört en studie som undersöker detta motstånd och kiralitetssvängningar i syntetiska antiferromagneter. I deras papper, som nyligen publicerades i Naturfysik , de definierade en ny typ av motstånd som involverar utbyte av rörelsemängd mellan två strömdrivna magnetiska domänväggar.

"Under de senaste åren har Jag har arbetat med samspelet mellan spinnström och kiral magnetisk domänvägg vars kiralitet bestäms av Dzyaloshinskii-Moriya-interaktion vid gränssnitt, "Se-Hun Yang, en IBM-forskare som utförde studien, berättade Phys.org .

Under 2013, Yang och hans kollegor visade att kirala domänväggar effektivt kan flyttas av en relativistisk spinn-omloppsinteraktion inducerad spinström, kallas spin-orbit vridmoment. Ungefär samtidigt, denna observation rapporterades också av en grupp forskare vid MIT.

Några år senare, Yang och hans kollegor observerade att kopplade kirala domänväggar kan röra sig med mycket högre hastighet (~ 1 km/s) med ström, på grund av ett kraftfullt utbyteskopplingsmoment när de är antiferromagnetiskt kopplade. Yang utvecklade en modell som kunde hjälpa till att bättre förstå dessa observationer och upptäckte även ett nytt kraftfullt vridmoment som kallas utbyteskopplingsmoment.

"Under dataanpassningen med min modell, Jag såg en konstig anomalifas i ett visst parameterutrymme i domänväggshastighet kontra applicerade longitudinella fältkurvor som visar en hög asymmetri, " Yang förklarade. "Jag observerade att en kopplad domänvägg blir dramatiskt långsammare vid negativa fält när utbyteskopplingen är relativt svag. Till exempel, min modell visade att kopplad domänhastighet kollapsar från 500 m/s ner till noll genom applicering av bara -50 mT fält."

Yang fann att den dramatiska minskningen i hastighet som observerades i hans forskning berodde på oscillation av förskjutning av kopplade domänväggar. Mest intressant, han lärde sig att domänväggsmagnetiseringar oscillerar/precesserar på ett sätt som är synkront korrelerat med domänväggars förskjutning.

"För att observera denna intressanta romanfas, vi startade ett nytt experiment genom att förbereda enheter gjorda av svagt kopplade syntetiska antiferromagnetiska (SAF) filmer, vilket skulle kunna uppnås genom att odla tunnare koboltlager med Ruthenium spacer i SAF, " Sa Yang. "Notera att Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaktion inducerar utbyteskoppling mellan koboltskikt över Ruthenium-distansskiktet."

Styrkan och tecknet på RKKY-interaktioner är känsligt beroende av tjockleken på ett ruteniumskikt. Eftersom RKKY-interaktioner endast är känsliga för gränssnitt, givet en viss rutheniumskikttjocklek, utbyteskopplingens styrka kan justeras ytterligare genom att tunna ner koboltlagret under ett monolager.

"I vårt experiment, lyckligtvis och omedelbart reproducerade vi den mycket asymmetriska domänväggens hastighet-längsgående fältkurvan och dramatiska kollapsen av domänväggens hastighet som förutspåtts av min modell, som jag var väldigt exalterad över då, " sa Yang. "Men, det tog mer än ett år för mig att helt förstå den fysiska mekanismen i denna konstiga fas."

I ett försök att bättre förstå hans tidigare observationer, Yang tillbringade lång tid med att titta på sin modell och skriva om kopplade rörelseekvationer på flera olika sätt. Han upptäckte till slut att den märkliga dynamiska fasen han hade observerat var relaterad till ett slags drag som kallas chiral exchange drag (CED).

"När en ström flyter in i två kopplade underlager, olika vridmoment i omloppsbana utövas på kirala domänväggar eftersom miljön för varje domänvägg inte är identisk, " förklarade Yang. "Därför, en kiral domänvägg rör sig snabbare än den andra. Dock, eftersom deras positioner är hårt bundna till varandra, en snabbare domänvägg "drar" en långsammare. Detta betyder att de kopplade domänväggarna rör sig med den mellanliggande hastigheten, det är, medelhastighet viktad av deras magnetiseringar."

Denna process ger inte omedelbart upphov till den konstiga fasen som observerats av Yang, eftersom de kopplade domänväggarna i detta skede fortfarande färdas med en jämn och rimlig hastighet. Dock, när luftmotståndet ökar och överskrider ett tröskelvärde, strukturen hos de kirala domänväggarna blir instabil. I sin forskning, Yang fann också att det applicerade längsgående fältet fungerar som en knopp, som kan användas för att justera dragstyrkan.

"Denna instabila domänväggstruktur motsvarar den märkliga dynamiska fasen, och jag kallade det "chiral exchange drag anomaly", "" sa Yang. "Jag lärde mig att i denna fas magnetiseringen av långsammare kirala domänväggar precesserar, det är, kiraliteten svänger. Väsentligen, i denna kirala utbytesdraganomalifas, den kinetiska energin för ett stort motstånd omvandlas till en annan intern DOF med rörelsemängd, det är, azimutrotation av domänväggsmagnetisering, vilket leder till en dramatisk minskning av den genomsnittliga förskjutningen av domänväggar."

Medan han utvecklade sin modell, Yang introducerade också två nya koncept:kvasi-domänväggar och sammansatta domäner. Kvasidomänväggar är fiktiva domänväggar som är begränsade till underskikt i SAF-tråd, som om deras positioner är frikopplade från varandra och de rör sig oberoende. Deras magnetiseringar är klädda med utbyteskopplingsinteraktion, därför, kvasi-domänväggar liknar kvasi-partiklar. Sammansatta domänväggar, å andra sidan, motsvarar de faktiska kopplade domänväggarna som är sammansatta av positionslåsta kvasi-domänväggar.

"När jag först beskrev dessa begrepp, Jag insåg inte hur viktiga mina fynd var och vilken inverkan de skulle ha i den breda fysiken, " sa Yang. "En tid senare, ytterligare två insikter om den viktiga fysiska betydelsen av "drag" inträffade när jag reste. Den första hände när jag satt på ett tåg och läste en recensionsartikel om Coulomb drag."

Ungefär när han gjorde denna första insikt, Yang hade precis upptäckt att medan CED och Coulomb drag delar många likheter, de hade också betydande skillnader. Till exempel, i motsats till Coulomb drag, i CED spelar kiralitet en nyckelroll, positionerna för kopplade kirala domänväggar är bundna till varandra, och de kirala domänväggarna har en annan intern DOF.

"Jag fick en andra insikt när jag läste ett kapitel om Dirac-ekvationer från en lärobok i kvantfältteori i ett hotellrum under en semester, " sade Yang. "På den tiden, Jag blev fascinerad av överraskande analoger mellan mina CED- och Dirac-fermioner. Till exempel, kiraliteten hos kopplade domänväggar är konstant i det stabila tillståndet av CED. Detta liknar masslösa Dirac-ferimoner som kan beskrivas med Weyl-ekvationer. I detta fall, kiralitet är ett bra kvanttal och konstant. Å andra sidan, när Dirac-fermionerna blir massiva, kiralitet är inte längre ett egentillstånd så att kiraliteten svänger med oscillerande frekvens som är linjärt proportionell mot massan. Liknande, i CED-anomalifasen oscillerar kiraliteten hos långsammare domänvägg med oscillerande frekvens som är nästan linjärt proportionell mot nettomagnetiseringen."

Den nya forskning som utförts av Yang och hans kollegor är baserad på hans tidigare arbete och observationer. I den här studien, de använde magneto-optisk Kerr-mikroskopi för att mäta de strömdrivna kirala magnetiska domänväggarna, vilket gjorde att de kunde se sin position. Innan de applicerade strömpulser, de tog en Kerr-bild av trådar mönstrade av svagt kopplade SAF-film.

"Efter att ha applicerat en sekvens av några nanosekunder långa pulser på tråden, en annan Kerr-bild togs, " Yang förklarade. "Domänväggens hastighet kan sedan beräknas från domänväggens förskjutningsavstånd dividerat med nuvarande pulslängd."

Forskarna använde ett Kerr-mikroskop utrustat med elektromagneter. Detta gjorde det möjligt för dem att applicera magnetiska fält i planet och utanför planet under proceduren som beskrivs ovan.

Yang och hans kollegor har framgångsrikt definierat en ny form av drag, CED, som härrör från kopplade kirala magnetiska domänväggar som är associerade med ett vinkelmomentöverföringsvridmoment. Dessutom, de observerade att styrkan i detta drag kan justeras genom att utnyttja domänväggarnas kirala karaktär.

Till sist, forskarna observerade en ny dynamisk fas för domänväggen, CED-anomalifasen som beskrivs ovan, som sker när draget överskrider ett tröskelvärde. Intressant, både CED- och CED-anomali uppvisar slående likheter med andra dragfenomen inom den kondenserade materiens fysik, som Coulomb drag, samt med Dirac-fermioner inom högenergifysik.

"Vi bevittnar uppkomsten av ett spännande område, Chiral Spintronics, äktenskapet mellan spintronik och kiralitet, som har väckt enorm uppmärksamhet i fysiksamhällen för magnetisk och kondenserad materia, " sade Yang. "Jag tror att CED och CED anomali är ett enastående exempel på och ett betydande bidrag till Chiral Spintronics. Jag planerar nu att ta itu med andra kirala system som kirala ferrimagneter och antiferromagneter och deras samspel med rörliga spinn."

© 2019 Science X Network