Los físicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han observado por primera vez un fenómeno magnético llamado "par de órbita de giro anómalo" ASOT. La profesora Virginia Lorenz y el estudiante graduado Wenrui Wang, ahora graduado y empleado como una industriaLos científicos hicieron esta observación, demostrando que existe una competencia entre lo que se conoce como acoplamiento espín-órbita y la alineación de un espín electrónico con la magnetización. Esto puede considerarse análogo al anómalo efecto Hall AHE.
Durante mucho tiempo, los físicos han sabido sobre fenómenos interesantes como el AHE en el que se acumulan espines de cierta especie en el borde de una película. Sus acumulaciones son detectables con mediciones eléctricas. Este tipo de experimento requiere la magnetización de la película parapunto perpendicular al plano de la película. De hecho, el efecto Hall y experimentos similares como el AHE en el pasado utilizan un campo magnético aplicado para muestras no magnéticas o la magnetización de la película para muestras magnéticas,siempre perpendicular al plano de la película.
Hasta ahora no se habían encontrado efectos como el AHE para magnetizaciones que apuntan en el plano.
Aprovechando el efecto Kerr magnetoóptico MOKE, que puede sondear la magnetización cerca de la superficie de una muestra magnética, Wang y Lorenz demostraron que una corriente eléctrica modifica la magnetización cerca de la superficie de una muestra ferromagnética para señalaruna dirección diferente de la magnetización del interior de la muestra. No es necesariamente extraño que la magnetización cerca de la superficie pueda diferir de la del interior, como lo demuestran los experimentos previos en el torque de la órbita giratoria. Sin embargo, los investigadores de Illinois utilizaron unpelícula puramente ferromagnética, mientras que los experimentos anteriores en torque de órbita giratoria combinaron ferromagnetos con metales que tienen una propiedad llamada "acoplamiento de órbita giratoria".
Este descubrimiento tiene implicaciones para la tecnología de memoria magnética eficiente en energía.
Los hallazgos del equipo se publican en la edición del 22 de julio de 2019 de la revista Nanotecnología de la naturaleza .
Magnetismo y torque de giro de órbita convencional
El magnetismo es omnipresente: lo usamos todos los días, por ejemplo, para pegar papeles en la puerta de un refrigerador o para garantizar que nuestros cargadores de teléfono no se desconecten prematuramente.
Microscópicamente, el magnetismo surge de una colección de electrones, todos los cuales tienen una propiedad conocida como espín. El espín es una fuente de impulso angular para los electrones y su "movimiento" puede compararse con la forma en que las partes superiores de los juguetes giran, aunque en realidad, enla mecánica cuántica, el movimiento del espín no se parece en nada a la mecánica clásica. Para los electrones, el espín viene en dos especies, formalmente llamadas espín arriba y abajo. Dependiendo de cómo apuntan los espines colectivamente, un material puede ser ferromagnético, con espines de electrones vecinos.todos apuntando en la misma dirección, o antiferromagnéticos, con espines de electrones vecinos apuntando en direcciones opuestas. Estos son solo dos de varios tipos de magnetismo.
¿Pero qué sucede cuando el magnetismo se combina con otros fenómenos como el acoplamiento de órbita giratoria?
Lorenz señala: "Hay toda una familia de efectos que se generan simplemente al pasar una corriente eléctrica a través de una muestra y separar los espines. El efecto Hall anómalo ocurre en películas ferromagnéticas delgadas y se ve como la acumulación de espines en elbordes de la muestra. Si la magnetización señala el plano de la película, es decir, perpendicular al plano de la superficie de la muestra, y una corriente fluye perpendicular a la magnetización, entonces se pueden ver acumulaciones de espines. Pero estosucede solo si la película ferromagnética también tiene acoplamiento de órbita giratoria ".
El acoplamiento giro-órbita hace que las especies giratorias, hacia arriba o hacia abajo, se muevan estrictamente en ciertas direcciones. Como modelo simplista, desde el punto de vista de los electrones que se mueven a través de una película, pueden dispersarse hacia la izquierda o hacia la derecha sialgo interrumpe su movimiento. Curiosamente, los espines se ordenan según la dirección en que se mueve un electrón. Si los electrones dispersados a la izquierda han girado, entonces los electrones dispersados a la derecha deben haber girado hacia abajo y viceversa.
En última instancia, esto lleva a que los giros ascendentes se acumulen en un borde de la película y los giros descendentes se acumulen en el borde opuesto.
Se ha encontrado un torque convencional de órbita giratoria SOT en estructuras de dos capas de una película ferromagnética adyacente a un metal con acoplamiento de órbita giratoria.
Lorenz señala: "En el pasado, esto siempre ha sucedido con dos capas. No solo se necesita un ferromagnet, sino también alguna fuente para que los giros se separen para inducir un cambio en el ferromagnet".
Si una corriente fluye a través del metal acoplado a la órbita de giro, los giros hacia arriba y hacia abajo se separan como en el AHE. Una de esas especies de espín se acumulará en la interfaz donde se encuentran el ferromagnet y el metal. La presencia de esos espines afectamagnetización en el ferromagnet cerca de la interfaz inclinando los giros allí.
Lorenz continúa: "Siempre se supuso, o al menos no se investigó mucho, que necesitamos estos metales con un fuerte acoplamiento de órbita giratoria para ver incluso un cambio en el ferromagnet".
Los resultados del experimento de Wang y Lorenz ahora desafían directamente esta suposición.
Observación de un par de giro-órbita anómalo
Wang y Lorenz descubrieron que era innecesario colocar un metal con acoplamiento de órbita giratoria adyacente a la película ferromagnética para generar un SOT y observar una magnetización fuera del plano.
Wang comenta: "Nuestro trabajo revela un fenómeno de la órbita de giro largamente ignorado, el par anómalo de la órbita de giro, o ASOT, en materiales ferromagnéticos metálicos bien estudiados como la permalloy. El ASOT no solo complementa la imagen física de la corriente eléctricainducidos por los efectos de la órbita de giro, como el anómalo efecto Hall, pero también abre la posibilidad de un control más eficiente del magnetismo en las memorias de computadora basadas en el giro ".
Los investigadores corrieron una corriente desde un borde de la película hasta su opuesto y, además, forzaron a la magnetización de la película a apuntar en la misma dirección.
La física aquí es complicada por el hecho de que hay dos fenómenos que compiten: la magnetización y el acoplamiento de la órbita giratoria. La magnetización está trabajando para alinear el giro consigo mismo; el electrón gira como una parte superior, pero con el tiempo se alinea conla magnetización y detiene su precesión. Sin acoplamiento de giro-órbita, esto significaría que la magnetización en todos los bordes apuntaría en la misma dirección. Sin embargo, el acoplamiento de giro-órbita está trabajando para mantener la dirección del giro con el movimiento del electrón.el acoplamiento giro-órbita y la magnetización compiten, el resultado es un compromiso: el giro está a medio camino entre los dos efectos.
El profesor David Cahill, quien también colaboró en los experimentos en la Universidad de Illinois, explica: "Finalmente, los giros que se acumulan en la superficie de la película terminan apuntando parcialmente fuera del plano de la superficie y los giros que se acumulan en la superficie opuestaapunte parcialmente fuera del plano de superficie en la dirección opuesta "
A diferencia del AHE, el ASOT no se puede detectar eléctricamente, por lo que Wang y Lorenz emplearon mediciones MOKE, disparando láseres en dos superficies expuestas para mostrar que la magnetización apuntaba desde el plano de la superficie.
Lorenz le da crédito a su colaborador, el profesor Xin Fan de la Universidad de Denver, por haber concebido este experimento.
Fan explica: "MOKE es un efecto para describir el cambio en la polarización a medida que la luz se refleja desde la superficie de un material magnético. El cambio de polarización está directamente relacionado con la magnetización y la luz tiene una pequeña profundidad de penetración en la muestra, quelo hace popular para usar como sonda de superficie para magnetización "
Pero eso no es todo. Los investigadores notaron que la interacción de intercambio puede suprimir los efectos de ASOT, por lo que eligieron cuidadosamente una muestra que fuera lo suficientemente gruesa como para que los giros en los dos lados de la muestra no pudieran forzarse entre sí para apuntar en elmisma dirección.
Wang y Lorenz demostraron que en las dos superficies de la película donde se acumulan los giros, se observa la misma rotación de Kerr. Técnicamente, la rotación de Kerr se refiere a cómo la luz reflejada cambia su polarización, lo que está directamente relacionado con la forma en que se rota la magnetizaciónfuera del plano de la película de permalloy. Esta es una evidencia indiscutible de ASOT.
La confirmación adicional de los resultados de la investigación proviene del trabajo teórico. Los investigadores han realizado simulaciones utilizando su modelo fenomenológico para mostrar que existe un fuerte acuerdo con sus datos. Además, los colaboradores teóricos también han utilizado la teoría funcional de la densidad, un tipo de modelado quemira microscópicamente los átomos en lugar de asumir las propiedades de los objetos, para mostrar un acuerdo cualitativo con el experimento.
Lorenz señala que el profesor adjunto de la Universidad de Stanford y el científico del personal de Lawrence Lab, Hendrick Ohldag, hicieron contribuciones fundamentales a la concepción del experimento. Lorenz dice que el experimento también se benefició de las contribuciones de colaboradores en el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de Illinois, Universidad de Denver, la Universidad de Delaware y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Maryland y Colorado.
Lorenz enfatiza, "Lo que hemos demostrado ahora es que un ferromagnet puede inducir un cambio en su propia magnetización. Esto podría ser una bendición para la investigación y el desarrollo de la tecnología de memoria magnética".
Fan agrega: "Si bien se ha demostrado que el par de giro en órbita en las bicapas de ferromagnet / metal tiene un gran potencial en las memorias magnéticas de la generación futura, debido al control eléctrico de la magnetización, nuestro resultado muestra que el ferromagnet puede generar un spin muy fuerte.par de órbita sobre sí mismo. Si podemos aprovechar adecuadamente el acoplamiento giro-órbita del ferromagneto en sí, podremos construir memorias magnéticas más eficientes en energía ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Original escrito por el Dr. Jeff Damasco, escritor de ciencia, física de Illinois. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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