Физикам давно известны такие интересные явления, как АЭХ, при котором спины определенного вида накапливаются на краю пленки. Их скопление можно обнаружить с помощью электрических измерений. Этот тип эксперимента требует, чтобы намагничивание пленки было направлено перпендикулярно плоскости пленки.
Фактически, эффект Холла и подобные эксперименты, такие как AHE в прошлом, используют приложенное магнитное поле (для немагнитных образцов) или намагниченность пленки (для магнитных образцов), всегда перпендикулярную плоскости пленки.
Эффекты, подобные AHE, не были обнаружены для намагничиваний, направленных в плоскости, до сих пор.
Воспользовавшись магнитооптическим эффектом Керра (MOKE), который может исследовать намагниченность вблизи поверхности магнитного образца, Ван и Лоренц продемонстрировали, что электрический ток изменяет намагниченность вблизи поверхности ферромагнитного образца, указывая направление отличается от намагниченности внутренней части образца. Не обязательно странно, что намагниченность у поверхности может отличаться от намагниченности внутри, о чем свидетельствуют предыдущие эксперименты по спин-орбитальному моменту.
Однако исследователи из Иллинойса использовали чисто ферромагнитную пленку, тогда как в прошлых экспериментах по спин-орбитальному моменту ферромагнетики сочетались с металлами, обладающими свойством, называемым «спин-орбитальная связь."
Это открытие имеет значение для энергосберегающей технологии магнитной памяти.
Выводы команды опубликованы в выпуске журнала Nature Nanotechnology от 22 июля 2019 года.
Магнетизм и обычный вращающий момент на орбите
Магнетизм распространен повсеместно – мы используем его каждый день, например, чтобы приклеить бумагу к дверце холодильника или убедиться, что зарядные устройства для телефонов не отсоединяются преждевременно.
С микроскопической точки зрения магнетизм возникает из-за набора электронов, каждый из которых имеет свойство, известное как спин. Спин является одним из источников углового момента для электронов, и его «движение» можно сравнить с вращением игрушечных волчков – хотя на самом деле в квантовой механике движение спина ни на что не похоже в классической механике.
Для электронов спин бывает двух видов, формально называемых верхним и нижним спином. В зависимости от того, как совокупно указывают спины, материал может быть ферромагнитным, имея все соседние электронные спины, указывающие в одном направлении, или антиферромагнитным, имея соседние электронные спины, указывающие в противоположных направлениях. Это всего лишь два из нескольких типов магнетизма.
Но что происходит, когда магнетизм сочетается с другими явлениями, такими как спин-орбитальная связь??
Лоренц отмечает: «Существует целое семейство эффектов, которые создаются простым пропусканием электрического тока через образец и разделением спинов. Аномальный эффект Холла возникает в тонких ферромагнитных пленках и проявляется в скоплении спинов на краях образца. Если намагниченность направлена вне плоскости пленки, то есть перпендикулярно плоскости поверхности образца, и ток течет перпендикулярно намагниченности, то можно увидеть скопления спинов.
Но это происходит только в том случае, если ферромагнитная пленка также имеет спин-орбитальную связь."
Спин-орбитальная связь заставляет спиновые частицы – вверх или вниз – двигаться строго в определенных направлениях.
В качестве упрощенной модели с точки зрения движения электронов через пленку они могут рассеиваться влево или вправо, если что-то прерывает их движение. Интересно, что спины сортируются в зависимости от направления движения электрона.
Если электроны, рассеянные влево, имеют вращение вверх, то электроны, рассеянные вправо, должны иметь спин вниз, и наоборот.
В конечном итоге это приводит к тому, что спины вверх накапливаются на одном краю пленки, а спины вниз накапливаются на противоположном крае.
Обычный спин-орбитальный момент (SOT) был обнаружен в двухслойных структурах ферромагнитной пленки, прилегающей к металлу, со спин-орбитальной связью.
Лоренц отмечает: «Раньше это всегда происходило с двумя слоями.
Вам нужен не только ферромагнетик, но и какой-то источник для разделения спинов, чтобы вызвать изменение самого ферромагнетика."
Если через металл, связанный со спин-орбитальной связью, течет ток, спины вверх и вниз разделяются, как в AHE. Один из этих видов спинов будет накапливаться на границе раздела, где встречаются ферромагнетик и металл. Наличие этих спинов влияет на намагниченность в ферромагнетике вблизи границы раздела, наклоняя спины там.
Лоренц продолжает: «Всегда предполагалось – или, по крайней мере, не исследовалось тщательно – что нам нужны эти металлы с сильной спин-орбитальной связью, чтобы даже увидеть изменение ферромагнетика."
Результаты эксперимента Ванга и Лоренца теперь прямо ставят под сомнение это предположение.
Наблюдение аномального спин-орбитального момента
Ван и Лоренц обнаружили, что нет необходимости размещать металл со спин-орбитальной связью рядом с ферромагнитной пленкой, чтобы генерировать SOT и наблюдать намагниченность вне плоскости.
Ван комментирует: «Наша работа раскрывает давно упускаемый из виду феномен спин-орбиты, аномальный вращающий момент спин-орбиты, или ASOT, в хорошо изученных металлических ферромагнитных материалах, таких как пермаллой.
ASOT не только дополняет физическую картину спин-орбитальных эффектов, вызванных электрическим током, таких как аномальный эффект Холла, но также открывает возможность более эффективного управления магнетизмом в компьютерной памяти, основанной на спине."
Исследователи пропустили ток от одного края пленки к противоположному и дополнительно заставили намагниченность пленки указывать в том же направлении.
Физика здесь осложняется тем фактом, что есть два конкурирующих явления – намагниченность и спин-орбитальная связь.
Намагничивание работает, чтобы выровнять вращение с самим собой; электрон вращается как волчок, но со временем выравнивается с намагниченностью и останавливает свою прецессию. Без спин-орбитальной связи это означало бы, что намагниченность на всех краях будет указывать в одном направлении.
Однако спин-орбитальная связь работает, чтобы поддерживать направление вращения с движением электрона. Когда спин-орбитальная связь и намагничивание конкурируют, результатом является компромисс: вращение находится на полпути между двумя эффектами.
Профессор Дэвид Кэхилл, который также участвовал в экспериментах в Университете штата Иллинойс, объясняет: «В конечном итоге спины, которые накапливаются на поверхности пленки, в конечном итоге выходят частично из плоскости поверхности, а спины, которые накапливаются в противоположной точке поверхности, частично вне плоскости поверхности в противоположном направлении."
В отличие от AHE, ASOT не может быть обнаружен электрически, поэтому Ван и Лоренц использовали измерения MOKE, стреляя лазерами по двум экспонированным поверхностям, чтобы показать, что намагниченность направлена вне плоскости поверхности.
Лоренц благодарит своего сотрудника, профессора Синь Фань из Денверского университета, за идею этого эксперимента.
Фан объясняет: «MOKE – это эффект, описывающий изменение поляризации при отражении света от поверхности магнитного материала. Изменение поляризации напрямую связано с намагниченностью, и свет имеет небольшую глубину проникновения в образец, что делает его популярным для использования в качестве поверхностного зонда для намагничивания."
Но это не все. Исследователи отметили, что обменное взаимодействие может подавлять эффекты ASOT, поэтому они тщательно выбрали образец, который был достаточно толстым, чтобы спины на двух сторонах образца не могли заставить друг друга указывать в одном направлении.
Ван и Лоренц показали, что на двух поверхностях пленки, где накапливаются спины, наблюдается одно и то же керровское вращение. Технически, вращение Керра относится к тому, как отраженный свет изменяет свою поляризацию, что напрямую коррелирует с тем, как намагниченность поворачивается из плоскости пленки пермаллоя.
Это неоспоримое свидетельство АСОТ.
Дополнительное подтверждение результатов исследования дает теоретическая работа. Исследователи провели симуляции с использованием своей феноменологической модели, чтобы показать, что их данные полностью согласуются с ними.
Кроме того, соавторы-теоретики также использовали теорию функционала плотности – тип моделирования, который рассматривает атомы под микроскопом, а не предполагает свойства объектов – чтобы продемонстрировать качественное согласие с экспериментом.
Лоренц отмечает, что адъюнкт-профессор Стэнфордского университета и научный сотрудник лаборатории Лоуренса Хендрик Олдаг внес плодотворный вклад в концепцию эксперимента.
Лоренц говорит, что в эксперименте также участвовали сотрудники Иллинойского научно-исследовательского и инженерного центра материаловедения, Университета Денвера, Университета Делавэра и Национального института стандартов и технологий в Мэриленде и Колорадо.
Лоренц подчеркивает: «Мы показали, что ферромагнетик может вызывать изменение собственной намагниченности. Это может быть благом для исследований и разработок технологии магнитной памяти."
Фан добавляет: «Хотя было продемонстрировано, что спин-орбитальный крутящий момент в двойных слоях ферромагнетика / металла имеет большой потенциал в магнитной памяти будущего поколения, из-за электрического контроля намагниченности наш результат показывает, что ферромагнетик может генерировать очень сильный спин-орбитальный крутящий момент. на себе. Если мы сможем правильно использовать спин-орбитальную связь самого ферромагнетика, мы сможем создать более энергоэффективную магнитную память."