Una quasiparticella è un disturbo o un'eccitazione (ad esempio onde di spin, bolle, ecc.) che si comporta come una particella e potrebbe quindi essere considerata tale. Le interazioni a lungo raggio tra quasiparticelle possono dare origine a un 'drag, ' che influenza le proprietà fondamentali di molti sistemi nella fisica della materia condensata.

Questa resistenza generalmente comporta uno scambio di quantità di moto lineare tra quasiparticelle, che influenza fortemente le loro proprietà di trasporto. I ricercatori dell'IBM e del Max Planck Institute hanno condotto uno studio che studia queste oscillazioni di resistenza e chiralità negli antiferromagneti sintetici. Nella loro carta, che è stato recentemente pubblicato in Fisica della natura , hanno definito un nuovo tipo di trascinamento che implica lo scambio di momento angolare tra due pareti del dominio magnetico guidate dalla corrente.

"Negli ultimi anni, Ho lavorato sull'interazione della corrente di spin con la parete del dominio magnetico chirale la cui chiralità è impostata dall'interazione Dzyaloshinskii-Moriya all'interfaccia, " See-Hun Yang, un ricercatore IBM che ha condotto lo studio, detto Phys.org .

Nel 2013, Yang e i suoi colleghi hanno dimostrato che le pareti del dominio chirale possono essere spostate in modo efficiente da una corrente di spin indotta dall'interazione spin-orbita relativistica, chiamato coppia spin-orbita. Più o meno nello stesso periodo, questa osservazione è stata riportata anche da un gruppo di ricercatori del MIT.

Pochi anni dopo, Yang e i suoi colleghi hanno osservato che le pareti di domini chirali accoppiati possono muoversi a velocità molto più elevate (~ 1 km/s) dalla corrente, a causa di una potente coppia di accoppiamento di scambio quando sono accoppiati antiferromagneticamente. Yang ha sviluppato un modello che potrebbe aiutare a comprendere meglio queste osservazioni e ha anche scoperto una nuova coppia potente chiamata coppia di accoppiamento di scambio.

"Durante l'adattamento dei dati con il mio modello, Ho individuato una strana fase di anomalia in un certo spazio dei parametri nella velocità della parete del dominio rispetto alle curve di campo longitudinali applicate che mostra un'elevata asimmetria, " Yang ha spiegato. "Ho osservato che un muro di dominio accoppiato viene drammaticamente rallentato a campi negativi quando l'accoppiamento di scambio è relativamente debole. Ad esempio, il mio modello ha mostrato che la velocità del dominio accoppiato collassa da 500 m/s fino a zero mediante l'applicazione di un campo di soli -50 mT."

Yang ha scoperto che la drastica riduzione della velocità osservata nella sua ricerca era dovuta all'oscillazione dello spostamento delle pareti del dominio accoppiato. Più interessante, ha imparato che le magnetizzazioni della parete del dominio oscillano/precedono in modo sincrono correlato allo spostamento delle pareti del dominio.

"Per osservare questa interessante fase innovativa, abbiamo iniziato un nuovo esperimento preparando dispositivi formati da film antiferromagnetici sintetici (SAF) debolmente accoppiati, che potrebbe essere ottenuto crescendo strati di cobalto più sottili che racchiudono il distanziatore di rutenio in SAF, " Yang ha detto. "Si noti che l'interazione Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) induce l'accoppiamento di scambio tra gli strati di cobalto attraverso lo strato distanziatore di rutenio".

La forza e il segno delle interazioni RKKY dipendono sensibilmente dallo spessore di uno strato di rutenio. Poiché le interazioni RKKY sono sensibili solo alle interfacce, dato un particolare spessore dello strato di rutenio, la forza dell'accoppiamento di scambio può essere ulteriormente regolata assottigliando lo strato di cobalto al di sotto di un monostrato.

"Nel nostro esperimento, fortunatamente e immediatamente abbiamo riprodotto la curva del campo longitudinale-velocità della parete del dominio altamente asimmetrica e il drammatico collasso della velocità della parete del dominio previsto dal mio modello, di cui all'epoca ero molto entusiasta, " Yang ha detto. "Tuttavia, mi ci è voluto più di un anno per comprendere appieno il meccanismo fisico di questa strana fase".

Nel tentativo di comprendere meglio le sue precedenti osservazioni, Yang ha trascorso molto tempo a esaminare il suo modello e a riscrivere le equazioni del moto accoppiate in diversi modi. Alla fine scoprì che la strana fase dinamica che aveva osservato era correlata a un tipo di resistenza chiamata resistenza a scambio chirale (CED).

"Quando una corrente scorre in due sottostrati accoppiati, diverse coppie spin-orbita sono esercitate sulle pareti del dominio chirale poiché l'ambiente per ciascuna parete del dominio non è identico, " Yang ha spiegato. "Di conseguenza, una parete del dominio chirale si muove più velocemente dell'altra. Però, poiché le loro posizioni sono strettamente legate l'una all'altra, un muro di dominio più veloce "trascina" uno più lento. Ciò significa che le pareti del dominio accoppiato si muovono alla velocità intermedia, questo è, velocità media ponderata per le loro magnetizzazioni."

Questo processo non dà immediatamente luogo alla strana fase osservata da Yang, poiché in questa fase le pareti del dominio accoppiato viaggiano ancora a una velocità costante e ragionevole. Però, quando la resistenza aumenta e supera un valore di soglia, la struttura delle pareti del dominio chirale diventa instabile. Nella sua ricerca, Yang ha anche scoperto che il campo longitudinale applicato agisce come una manopola, che può essere utilizzato per regolare la forza di trascinamento.

"Questa struttura instabile del muro del dominio corrisponde alla strana fase dinamica, e l'ho soprannominata "anomalia del trascinamento dello scambio chirale, '" ha detto Yang. "Ho imparato che in questa fase la magnetizzazione dei processi di parete del dominio chirale più lenti, questo è, la chiralità oscilla. Essenzialmente, in questa fase di anomalia del trascinamento dello scambio chirale, l'energia cinetica di una grande resistenza viene convertita in un altro DOF interno di momento angolare, questo è, rotazione azimutale della magnetizzazione della parete del dominio, portando così a un drastico calo dello spostamento medio delle pareti del dominio".

Mentre stava sviluppando il suo modello, Yang ha anche introdotto due nuovi concetti:pareti di quasi-dominio e domini compositi. I muri di quasi dominio sono muri di dominio fittizi vincolati a sottostrati nel filo SAF, come se le loro posizioni fossero disaccoppiate l'una dall'altra e si muovessero indipendentemente. Le loro magnetizzazioni sono vestite con interazione di accoppiamento di scambio, perciò, le pareti di quasi-dominio sono simili alle quasi-particelle. Muri di dominio compositi, d'altra parte, corrispondono agli effettivi muri di dominio accoppiati che sono composti da muri di quasi-dominio bloccati in posizione.

"Quando ho descritto per la prima volta questi concetti, Non mi rendevo conto di quanto fossero importanti le mie scoperte e dell'impatto che avrebbero avuto nella fisica generale, " Yang ha detto. "Qualche tempo dopo, due ulteriori intuizioni sull'importante significato fisico di "trascinare" mi sono venute quando ero in viaggio. Il primo è successo quando ero su un treno a leggere un articolo di recensione sul trascinamento di Coulomb".

Nel periodo in cui fece questa prima realizzazione, Yang aveva appena scoperto che mentre CED e Coulomb drag condividono molte somiglianze, avevano anche differenze sostanziali. Ad esempio, in contrasto con la resistenza di Coulomb, nella CED la chiralità gioca un ruolo chiave, le posizioni delle pareti di domini chirali accoppiate sono legate l'una all'altra, e le pareti del dominio chirale hanno un altro DOF interno.

"Ho avuto una seconda intuizione quando stavo leggendo un capitolo sulle equazioni di Dirac da un libro di testo di teoria quantistica dei campi in una stanza d'albergo durante una vacanza, " Yang ha detto. "A quel tempo, Ero incuriosito da analoghi sorprendenti tra il mio CED e i fermioni di Dirac. Per esempio, la chiralità delle pareti di domini accoppiati è costante nello stato stazionario di CED. Questo è simile ai ferimoni di Dirac senza massa che possono essere descritti dalle equazioni di Weyl. In questo caso, la chiralità è un buon numero quantico e costante. D'altra parte, man mano che i fermioni di Dirac diventano massicci, la chiralità non è più un autostato tale che la chiralità oscilli con una frequenza di oscillazione linearmente proporzionale alla massa. Allo stesso modo, nella fase di anomalia CED la chiralità della parete del dominio più lenta oscilla con una frequenza di oscillazione che è quasi linearmente proporzionale alla magnetizzazione netta."

La nuova ricerca condotta da Yang e dai suoi colleghi si basa sul suo lavoro e sulle sue osservazioni precedenti. In questo studio, hanno usato la microscopia di Kerr magneto-ottica per misurare le pareti del dominio magnetico chirale guidato dalla corrente, che ha permesso loro di individuare la loro posizione. Prima che applicassero impulsi di corrente, hanno preso un'immagine Kerr di fili modellati da una pellicola SAF debolmente accoppiata.

"Dopo aver applicato al filo una sequenza di impulsi lunghi pochi nanosecondi, è stata scattata un'altra immagine Kerr, " Yang ha spiegato. "La velocità della parete del dominio potrebbe quindi essere calcolata dalla distanza di spostamento della parete del dominio divisa per la lunghezza dell'impulso corrente".

I ricercatori hanno utilizzato un microscopio Kerr dotato di elettromagneti. Ciò ha permesso loro di applicare campi magnetici nel piano e fuori dal piano durante la procedura sopra descritta.

Yang e i suoi colleghi hanno definito con successo una nuova forma di resistenza, CED, che è derivato da pareti di domini magnetici chirali accoppiati che sono associati a una coppia di trasferimento del momento angolare. Inoltre, hanno osservato che la forza di questa resistenza può essere regolata sfruttando la natura chirale delle pareti del dominio.

Finalmente, i ricercatori hanno osservato una nuova fase dinamica della parete del dominio, la fase di anomalia CED sopra descritta, che si verifica quando il trascinamento supera un valore di soglia. interessante, sia l'anomalia CED che CED presentano sorprendenti somiglianze con altri fenomeni di trascinamento nella fisica della materia condensata, come il trascinamento di Coulomb, così come con i fermioni di Dirac nella fisica delle alte energie.

"Stiamo assistendo all'emergere di un campo entusiasmante, Spintronica chirale, il matrimonio tra spintronica e chiralità, che ha attirato enorme attenzione nelle comunità di fisica della materia magnetica e condensata, " Yang ha detto. "Penso che CED e CED anomalia siano un esempio eccezionale e un contributo significativo alla Chiral Spintronics. Ora sto progettando di affrontare altri sistemi chirali come ferrimagneti chirali e antiferromagneti e la loro interazione con gli spin in movimento".

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