Diagram för att visa hur Weyl-punkter styrs. Kredit:© 2020 Higo et al.
Forskare har framgångsrikt demonstrerat en metod för att byta ett nytt material mellan två olika icke flyktiga tillstånd vid mycket höga hastigheter och med stor noggrannhet. De fysiska beståndsdelarna i anordningen i fråga är avsevärt robusta mot yttre påverkan såsom magnetfält. Dessa fynd kan leda till en minnesenhet med hög hastighet och hög kapacitet med hög energieffektivitet.
1929, teoretisk fysiker Hermann Weyl undersökte den nyligen härledda Dirac-ekvationen, som beskriver många saker i partikelfysik och ledde till upptäckten av antimateria. Han märkte att ekvationen innebar att det fanns en masslös partikel, som blev känd som Weyl fermion. Detta antogs en gång vara den elementära partikeln neutrino. Nästan ett sekel senare, 2015, Weyl fermion upptäcktes äntligen i verkligheten, och under åren sedan, fysiker har börjat inte bara förstå, det men för att hitta potentiella användningsområden för det. Ett team inklusive forskare från laboratoriet ledd av professor Satoru Nakatsuji vid Institutet för fasta tillståndets fysik och Institutionen för fysik vid University of Tokyo hittade ett sätt att använda Weyl-fermioner för att göra avancerade minnesenheter.
"Spintronics är ett ord som sannolikt kommer att entusiasmera dem som är intresserade av framtidens teknik. det är något som kan ersätta och ersätta många elektroniska funktioner i dagens apparater, " förklarade forskarassistent Tomoya Higo. "Sedan ett tag nu, ferromagnetiska material, magneter som beter sig på ett bekant sätt, har använts för att utforska spintroniska fenomen. Men det finns en bättre klass av magnetiska material för detta ändamål som kallas antiferromagnetiska material, som verkar svårare att arbeta med men har många fördelar."
Antiferromagneter är intressanta material eftersom de erbjuder forskare många användbara egenskaper som ferromagnetiska material erbjuder, men de är mindre utsatta för externa magnetfält på grund av ett unikt arrangemang av deras beståndsdelar. Detta är en fördel när man arbetar mot minnesenheter, eftersom noggrannhet och robusthet är viktiga, men detta speciella arrangemang gör det också svårare att manipulera materialet efter behov.
"Det var inte alls självklart om du kan kontrollera ett antiferromagnetiskt tillstånd med en enkel elektrisk puls som du kan en ferromagnetisk, " sa Nakatsuji.
Det är här Weyl-fermionerna kommer in. "I vårt prov (antiferromagnetisk mangan-tennlegering Mn 3 Sn), Weyl fermioner existerar vid Weyl -punkter i momentumutrymmet (inte ett fysiskt utrymme, men ett matematiskt sätt att representera partiklars momentum i ett system). Dessa Weyl -punkter har två möjliga tillstånd som kan representera binära siffror, " förklarade postdoktor Hanshen Tsai. "Vårt genombrottsresultat är att vi kan byta en Weyl-punkt mellan dessa tillstånd med en extern elektrisk ström som appliceras på närliggande tunna lager av Mn3Sn och antingen platina eller volfram. Denna metod kallas spin-orbit vridmomentomkoppling."
"Vår upptäckt indikerar att den masslösa Weyl fermion som fysiker eftersträvar har hittats i vår magnet, och kan dessutom manipuleras elektriskt, " tillade Nakatsuji.
Tack vare en mycket stor signal från Weyl fermions i Mn 3 Sn, detektering av spin-orbit vridmomentomkoppling är möjlig. Omkopplingshastigheten som motsvarar hur snabbt minne baserat på sådan teknik kan skrivas till eller läsas från är i storleksordningen biljoner gånger per sekund, eller terahertz. Nuvarande avancerade datorminne växlar några miljarder gånger i sekunden, eller gigahertz. Så, när insett, det kan leda till ett stort hopp i prestanda, men det finns fortfarande en väg att gå.
"Det fanns två stora utmaningar i vår studie. Den ena var att optimera syntesen av Mn 3 Sn tunna filmer. Den andra kom på växlingsmekanismen, " sa Higo. "Vi är glada inte bara för att vi hittade några intressanta fenomen, men eftersom vi kan förvänta oss att våra resultat kan ha viktiga tillämpningar i framtiden. Genom att skapa nya material, vi upptäcker nya fenomen som kan leda till nya enheter. Vår forskning är full av drömmar."
Studien publiceras i Natur .
