I ett experiment som kan hjälpa utvecklingen av nya spintronics-enheter med låg energiförbrukning, har forskare från RIKEN och medarbetare använt värme och magnetiska fält för att skapa transformationer mellan spinntexturer – magnetiska virvlar och antivirvlar som kallas skyrmioner och antiskyrmioner – i en enda kristalltunn plåtanordning. Viktigt är att de uppnådde detta vid rumstemperatur.
Skyrmioner och antiskyrmioner, som är texturer som finns i speciella magnetiska material som involverar spinn av elektronerna i materialet, är ett aktivt forskningsområde, eftersom de skulle kunna användas för nästa generations minnesenheter, till exempel med skyrmioner som fungerar som en "1" bit och antiskyrmioner en "0" bit.
Tidigare har forskare kunnat flytta dem på en mängd olika sätt och skapa transformationer mellan dem med hjälp av elektrisk ström. Men eftersom nuvarande elektroniska enheter förbrukar elektrisk kraft och producerar spillvärme, bestämde sig forskarna i gruppen, ledda av Xiuzhen Yu vid RIKEN Center for Emergent Matter Science, för att se om de kunde hitta ett sätt att skapa omvandlingarna med hjälp av värmegradienter.
Enligt Yu, "Eftersom ungefär två tredjedelar av energin som produceras av kraftverk, bilar, förbränningsanläggningar och fabriker går till spillo som värme, trodde vi att det skulle vara viktigt att försöka skapa omvandlingar mellan skyrmioner och antiskyrimioner - vilket tidigare har gjorts använder elektrisk ström — använder värme."
För att utföra forskningen, nu publicerad i Nature Communications , använde forskarna en fokuserad jonstråle – ett extremt precist tillverkningssystem – för att skapa en mikroenhet från den stora enkristallmagneten (Fe0,63 Ni0,3 Pd0.07 )3 P, sammansatt av järn-, nickel-, palladium- och fosforatomer, och använde sedan Lorentz-skanningsmikroskopi – en avancerad metod för att undersöka materials magnetiska egenskaper i mycket liten skala.
Vad de fann är att när en temperaturgradient applicerades på kristallen samtidigt med ett magnetfält, vid rumstemperatur, omvandlades antiskyrmionerna i den först till icke-topologiska bubblor - ett slags övergångstillstånd mellan skyrmioner och antiskyrmioner - och sedan till skyrmioner , när temperaturgradienten höjdes. De förblev sedan i stabil konfiguration som skyrmioner även när den termiska gradienten eliminerades.
Detta var ett fynd som överensstämde med teoretiska förväntningar, men ett andra fynd överraskade gruppen. Enligt Fehmi Sami Yasin, en postdoktor i Yus grupp, "vi blev förvånade över att också finna att när magnetfältet inte applicerades ledde den termiska gradienten till en transformation från skyrmioner till antiskyrmioner, som också förblev stabila i materialet."
"Det som är väldigt spännande med det här," fortsätter han, "är att det betyder att vi kan använda en termisk gradient – i princip med hjälp av spillvärme – för att driva en transformation mellan skyrmioner och antiskyrmioner, beroende på om ett magnetfält appliceras eller inte. är särskilt betydelsefullt att vi kunde göra detta vid rumstemperatur. Detta kan öppna vägen för en ny typ av informationslagringsenheter som icke-flyktiga minnesenheter som använder spillvärme."
Enligt Yu, "Vi är mycket glada över hans upptäckt och planerar att fortsätta vårt arbete med att manipulera skyrmioner och antiskyrmioner på nya och mer effektiva sätt, inklusive termisk kontroll av antiskyrmions rörelse, med målet att bygga verkliga termospintroniska och andra spintroniska enheter som skulle kunna användas i vårt dagliga liv. För att göra bättre enheter måste vi noggrant utforska olika enhetsdesigner och geometrier."
Mer information: Fehmi Sami Yasin et al, Värmeströmsdrivna topologiska spinntexturtransformationer och spiralformad q-vektoromkoppling, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42846-7
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av RIKEN
