Fysiker vid University of Illinois i Urbana-Champaign har observerat ett magnetiskt fenomen som kallas "anomalous spin-orbit torque" (ASOT) för första gången. Professor Virginia Lorenz och doktorand Wenrui Wang, nu examen och anställd som industrivetare, gjorde denna observation, som visar att det finns konkurrens mellan det som kallas spin-orbit-koppling och inriktningen av ett elektronspinn till magnetiseringen. Detta kan ses som analogt med den anomala Hall -effekten (AHE).

Länge nu, fysiker har känt till intressanta fenomen som AHE där spinn av en viss art ackumuleras på en filmkant. Deras ansamlingar kan detekteras med elektriska mätningar. Denna typ av experiment kräver att magnetiseringen av filmen pekar vinkelrätt mot filmens plan. Faktiskt, Hall-effekten och liknande experiment som AHE tidigare använder alla ett applicerat magnetfält (för icke-magnetiska prover) eller magnetisering av filmen (för magnetiska prover), alltid vinkelrätt mot filmens plan.

Effekter som AHE hade inte hittats för magnetiseringar som pekar i planet, tills nu.

Genom att dra nytta av den magneto-optiska Kerr-effekten (MOKE), som kan sondra magnetiseringen nära ytan av ett magnetiskt prov, Wang och Lorenz visade att en elektrisk ström modifierar magnetiseringen nära ytan på ett ferromagnetiskt prov för att peka i en riktning som skiljer sig från magnetiseringen av provets inre. Det är inte nödvändigtvis konstigt att magnetiseringen nära ytan kan skilja sig från den inre, vilket framgår av tidigare experiment med vridmoment för spinnbana. Dock, Illinois -forskarna använde en rent ferromagnetisk film, medan tidigare experiment med spinn-omloppsmoment kombinerade ferromagneter med metaller som har en egenskap som kallas "spin-orbit coupling".

Denna upptäckt har konsekvenser för energieffektiv magnetteknik.

Teamets resultat publiceras i juli 22, 2019 års nummer av tidningen Naturnanoteknik .

Magnetism &konventionellt vridmoment

Magnetism är allestädes närvarande - vi använder den varje dag, till exempel, att fästa papper vid en kylskåpsdörr eller för att se till att våra telefonladdare inte lossnar i förtid.

Mikroskopiskt, magnetism uppstår från en samling elektroner, som alla har en egenskap som kallas spin. Spinn är en källa till vinkelmoment för elektroner och dess "rörelse" kan liknas vid hur leksakstoppar snurrar - fast i själva verket, inom kvantmekanik, rörelsen av snurr liknar ingenting i klassisk mekanik. För elektroner, spin finns i två arter, formellt kallat upp spin och down spin. Beroende på hur snurren kollektivt pekar, ett material kan vara ferromagnetiskt, med närliggande elektronspinn som alla pekar i samma riktning, eller antiferromagnetisk, med angränsande elektronspinn som pekar i motsatta riktningar. Dessa är bara två av flera typer av magnetism.

Men vad händer när magnetism kombineras med andra fenomen som spinn-omloppskoppling?

Lorenz noterar, "Det finns en hel familj av effekter som genereras genom att helt enkelt köra en elektrisk ström genom ett prov och ha snurren separerade. Den avvikande Hall -effekten uppträder i tunna ferromagnetiska filmer och ses som ackumulering av snurr på kanterna på provet. Om magnetiseringen pekar ut från filmens plan - det vill säga vinkelrätt mot planet på provytan - och en ström flyter vinkelrätt mot magnetiseringen, då kan ansamlingar av snurr ses. Men detta händer bara om den ferromagnetiska filmen också har en spin-orbit-koppling. "

Spinn-omloppskoppling gör att spinnarten-upp eller ner-rör sig strikt åt vissa håll. Som en förenklad modell, ur synvinkel för elektroner som rör sig genom en film, de kan spridas åt vänster eller höger om något avbryter deras rörelse. Intressant, snurrarna sorteras baserat på den riktning som en elektron rör sig. Om de vänstra spridda elektronerna har snurrat upp, då måste de högströdda elektronerna ha snurr ner och vice versa.

I sista hand, detta leder till att snurr samlas på ena kanten av filmen och nedåt snurrar samlas på den motsatta kanten.

Konventionellt spin-orbit-vridmoment (SOT) har hittats i tvåskiktsstrukturer i en ferromagnetisk film intill en metall med spinn-omloppskoppling.

Lorenz påpekar, "Förr, detta har alltid hänt med två lager. Du behöver inte bara en ferromagnet, men också någon källa för snurren att separera för att inducera en förändring av själva ferromagneten. "

Om en ström strömmar genom den spinnbana kopplade metallen, upp och ner -snurr separeras som i AHE. En av dessa spinnarter kommer att ackumuleras vid gränssnittet där ferromagneten och metallen möts. Närvaron av dessa snurr påverkar magnetiseringen i ferromagneten nära gränssnittet genom att luta spinnarna dit.

Lorenz fortsätter, "Man antog alltid-eller åtminstone inte undersökts kraftigt-att vi behöver dessa metaller med en stark spinn-omloppskoppling för att ens se en förändring i ferromagneten."

Resultaten av Wang och Lorenz experiment utmanar nu direkt detta antagande.

Observation av ett avvikande vridmoment i snurrbanan

Wang och Lorenz fann att det var onödigt att placera en metall med spinnbana koppling intill den ferromagnetiska filmen för att generera en SOT och observera en magnetisering utanför planet.

Wang kommentarer, "Vårt arbete avslöjar ett länge förbisedd fenomen i snurrbanan, det avvikande vridmomentet eller ASOT, i välstuderade metalliska ferromagnetiska material som permalloy. ASOT kompletterar inte bara fysikbilden av elektriska ströminducerade spinnbanaeffekter som den avvikande Hall-effekten, men öppnar också möjligheten till effektivare kontroll av magnetism i spinnbaserade datorminnen. "

Forskarna sprang en ström från filmens ena kant till dess motsats och tvingade dessutom filmens magnetisering att peka i samma riktning.

Fysiken här kompliceras av det faktum att det finns två fenomen som konkurrerar-magnetisering och spinn-omloppskoppling. Magnetisering arbetar för att anpassa snurrningen till sig själv; elektronen snurrar som en topp, men med tiden anpassar den sig till magnetiseringen och stoppar dess precession. Utan spin-orbit-koppling, detta skulle innebära att magnetiseringen på alla kanter skulle peka i samma riktning. Dock, spin-orbit-koppling arbetar för att bibehålla spinnets riktning med elektronens rörelse. När spin-orbit-koppling och magnetisering konkurrerar, resultatet är en kompromiss:snurrningen är halvvägs mellan de två effekterna.

Professor David Cahill, som också samarbetade på experimenten vid University of Illinois, förklarar:"I slutändan, snurrar som ackumuleras på filmens yta slutligen pekar delvis ut ur ytplanet och snurr som ackumuleras på den motsatta motsatta ytan pekar delvis ut ur ytplanet i motsatt riktning. "

Till skillnad från AHE, ASOT kan inte detekteras elektriskt, så Wang och Lorenz använde MOKE -mätningar, skjuta lasrar på två exponerade ytor för att visa att magnetiseringen pekade ut från ytans plan.

Lorenz krediterar sin samarbetspartner, Professor Xin Fan vid University of Denver, med att tänka på detta experiment.

Fan förklarar, "MOKE är en effekt för att beskriva förändringen i polarisering när ljuset reflekteras från ytan på ett magnetiskt material. Polarisationsförändringen är direkt korrelerad med magnetiseringen och ljus har ett litet penetrationsdjup in i provet, vilket gör det populärt att använda som en ytsond för magnetisering. "

Men det är inte allt. Forskarna noterade att utbytesinteraktionen kan undertrycka effekterna av ASOT, så de valde noggrant ett prov som var tillräckligt tjockt för att snurren på provets två sidor inte kunde tvinga varandra att peka i samma riktning.

Wang och Lorenz visade att på filmens två ytor där spinn samlas, samma Kerr -rotation observeras. Tekniskt, Kerr -rotationen avser hur det reflekterade ljuset ändrar sin polarisering, vilket är direkt korrelerat med hur magnetiseringen roteras ur planet för permalloyfilmen. Detta är obestridligt bevis på ASOT.

Ytterligare bekräftelse på forskningsresultaten kommer från teoretiskt arbete. Forskarna har kört simuleringar med hjälp av sin fenomenologiska modell för att visa att det finns en god överensstämmelse med deras data. Dessutom, teoretiker -samarbetspartners har också använt densitetsfunktionell teori - en typ av modellering som tittar mikroskopiskt på atomer snarare än att anta objektens egenskaper - för att visa kvalitativ överensstämmelse med experiment.

Lorenz noterar att adjungerad professor vid Stanford University och Lawrence Lab Staff Scientist Hendrick Ohldag har bidragit kraftfullt till experimentets uppfattning. Lorenz säger att experimentet också gynnades av bidrag från samarbetspartners vid Illinois Materials Research Science and Engineering Center, University of Denver, University of Delaware, och National Institute of Standards and Technology i Maryland och Colorado.

Lorenz betonar, "Det vi har visat nu är att en ferromagnet kan framkalla en förändring i sin egen magnetisering. Detta kan vara en välsignelse för forskning och utveckling av magnetminneteknik."

Fan tillägger, "Även om vridmoment i spinnbana i ferromagnet-/metall-skikt har visat sig ha stor potential i framtida generationens magnetminnen, på grund av elektrisk styrning av magnetisering, vårt resultat visar att ferromagneten kan generera ett mycket starkt vridmoment på sig själv. Om vi ​​kan utnyttja själva ferromagnetens kopplingskoppling ordentligt, vi kanske kan bygga mer energieffektiva magnetminnen. "