I fisici dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno osservato per la prima volta un fenomeno magnetico chiamato "coppia spin-orbita anomala" (ASOT). La professoressa Virginia Lorenz e lo studente laureato Wenrui Wang, ora laureato e impiegato come scienziato del settore, fatto questa osservazione, dimostrando che esiste competizione tra ciò che è noto come accoppiamento spin-orbita e l'allineamento di uno spin di un elettrone alla magnetizzazione. Questo può essere pensato come analogo all'effetto Hall anomalo (AHE).

Da molto tempo ormai, i fisici sono a conoscenza di fenomeni interessanti come l'AHE in cui gli spin di una certa specie si accumulano sul bordo di una pellicola. I loro accumuli sono rilevabili con misurazioni elettriche. Questo tipo di esperimento richiede che la magnetizzazione del film punti perpendicolarmente al piano del film. Infatti, l'effetto Hall e esperimenti simili come l'AHE in passato utilizzano tutti un campo magnetico applicato (per campioni non magnetici) o la magnetizzazione del film (per campioni magnetici), sempre perpendicolare al piano del film.

Effetti come l'AHE non erano stati trovati per magnetizzazioni che puntano nel piano, fino ad ora.

Sfruttando l'effetto Kerr magneto-ottico (MOKE), che può sondare la magnetizzazione vicino alla superficie di un campione magnetico, Wang e Lorenz hanno dimostrato che una corrente elettrica modifica la magnetizzazione vicino alla superficie di un campione ferromagnetico per puntare in una direzione diversa dalla magnetizzazione dell'interno del campione. Non è necessariamente strano che la magnetizzazione vicino alla superficie possa differire da quella all'interno, come evidenziato da precedenti esperimenti di coppia spin-orbita. Però, i ricercatori dell'Illinois hanno usato una pellicola puramente ferromagnetica, mentre gli esperimenti passati nella coppia spin-orbita combinavano ferromagneti con metalli che hanno una proprietà chiamata "accoppiamento spin-orbita".

Questa scoperta ha implicazioni per la tecnologia della memoria magnetica ad alta efficienza energetica.

I risultati del team sono pubblicati il ​​22 luglio, Numero 2019 della rivista Nanotecnologia della natura .

Magnetismo e coppia spin-orbita convenzionale

Il magnetismo è onnipresente:lo usiamo ogni giorno, Per esempio, per attaccare dei fogli alla porta del frigorifero o per garantire che i nostri caricatori del telefono non si stacchino prematuramente.

microscopicamente, il magnetismo nasce da un insieme di elettroni, che hanno tutti una proprietà nota come spin. Lo spin è una fonte di momento angolare per gli elettroni e il suo "movimento" può essere paragonato a come ruotano le parti superiori dei giocattoli, anche se in realtà, nella meccanica quantistica, il moto di rotazione non assomiglia a niente nella meccanica classica. Per gli elettroni, lo spin è di due specie, formalmente chiamato up spin e down spin. A seconda di come gli spin puntano collettivamente, un materiale potrebbe essere ferromagnetico, avendo spin di elettroni vicini che puntano tutti nella stessa direzione, o antiferromagnetico, aventi spin di elettroni vicini che puntano in direzioni opposte. Questi sono solo due dei diversi tipi di magnetismo.

Ma cosa succede quando il magnetismo si combina con altri fenomeni come l'accoppiamento spin-orbita?

Lorenz nota, "Esiste un'intera famiglia di effetti generati dal semplice passaggio di una corrente elettrica attraverso un campione e dalla separazione degli spin. L'effetto Hall anomalo si verifica in sottili film ferromagnetici ed è visto come l'accumulo di spin sui bordi del campione. Se la magnetizzazione punta fuori dal piano del film, cioè, perpendicolare al piano della superficie del campione e una corrente scorre perpendicolare alla magnetizzazione, quindi si possono vedere accumuli di spin. Ma questo accade solo se il film ferromagnetico ha anche un accoppiamento spin-orbita".

L'accoppiamento spin-orbita fa sì che le specie di spin, in alto o in basso, si muovano rigorosamente in determinate direzioni. Come modello semplicistico, dal punto di vista degli elettroni che si muovono attraverso un film, possono disperdersi a sinistra oa destra se qualcosa interrompe il loro movimento. interessante, gli spin sono ordinati in base alla direzione in cui si muove un elettrone. Se gli elettroni dispersi a sinistra hanno spin up, allora gli elettroni dispersi a destra devono avere spin down e viceversa.

In definitiva, questo porta all'accumulo di spin verso l'alto su un bordo del film e spin verso il basso che si accumulano sul bordo opposto.

La coppia spin-orbita convenzionale (SOT) è stata trovata in strutture a doppio strato di un film ferromagnetico adiacente a un metallo con accoppiamento spin-orbita.

Lorenz fa notare, "Nel passato, questo è sempre successo con due strati. Non hai solo bisogno di un ferromagnete, ma anche qualche fonte per separare gli spin per indurre un cambiamento nel ferromagnete stesso."

Se una corrente scorre attraverso il metallo accoppiato spin-orbita, gli spin su e giù si separano come nell'AHE. Una di quelle specie di spin si accumulerà all'interfaccia dove il ferromagnete e il metallo si incontrano. La presenza di quegli spin influenza la magnetizzazione nel ferromagnete vicino all'interfaccia inclinando gli spin lì.

Lorenz continua, "Si è sempre pensato - o almeno non studiato approfonditamente - che abbiamo bisogno di questi metalli con un forte accoppiamento spin-orbita per vedere anche un cambiamento nel ferromagnete".

I risultati dell'esperimento di Wang e Lorenz ora mettono direttamente in discussione questa ipotesi.

Osservazione di una coppia spin-orbita anomala

Wang e Lorenz hanno scoperto che non era necessario posizionare un metallo con accoppiamento spin-orbita adiacente al film ferromagnetico per generare un SOT e osservare una magnetizzazione fuori dal piano.

Wang commenta, "Il nostro lavoro rivela un fenomeno di spin-orbita a lungo trascurato, l'anomala coppia spin-orbita, o ASOT, in materiali ferromagnetici metallici ben studiati come la permalloy. L'ASOT non solo integra il quadro fisico degli effetti spin-orbita indotti dalla corrente elettrica come l'anomalo effetto Hall, ma apre anche la possibilità di un controllo più efficiente del magnetismo nelle memorie per computer basate su spin".

I ricercatori hanno fatto passare una corrente da un bordo del film al suo opposto e inoltre hanno forzato la magnetizzazione del film a puntare nella stessa direzione.

La fisica qui è complicata dal fatto che ci sono due fenomeni in competizione:la magnetizzazione e l'accoppiamento spin-orbita. La magnetizzazione sta lavorando per allineare la rotazione con se stessa; l'elettrone gira come una trottola, ma col tempo si allinea con la magnetizzazione e ne interrompe la precessione. Senza accoppiamento spin-orbita, ciò significherebbe che la magnetizzazione su tutti i bordi punterebbe nella stessa direzione. Però, l'accoppiamento spin-orbita sta lavorando per mantenere la direzione dello spin con il movimento dell'elettrone. Quando l'accoppiamento spin-orbita e la magnetizzazione competono, il risultato è un compromesso:lo spin è a metà tra i due effetti.

Professor David Cahill, che ha anche collaborato agli esperimenti presso l'Università dell'Illinois, spiega:"In definitiva, gli spin che si accumulano sulla superficie del film finiscono per puntare parzialmente fuori dal piano della superficie e gli spin che si accumulano sulla superficie opposta puntano parzialmente fuori dal piano della superficie nella direzione opposta."

A differenza dell'AHE, l'ASOT non può essere rilevato elettricamente, così Wang e Lorenz hanno utilizzato le misurazioni MOKE, sparare laser su due superfici esposte per mostrare che la magnetizzazione puntava fuori dal piano della superficie.

Lorenz attribuisce al suo collaboratore, Professor Xin Fan dell'Università di Denver, con l'ideazione di questo esperimento.

Fan spiega, "MOKE è un effetto per descrivere il cambiamento di polarizzazione quando la luce viene riflessa dalla superficie di un materiale magnetico. Il cambiamento di polarizzazione è direttamente correlato alla magnetizzazione e la luce ha una piccola profondità di penetrazione nel campione, che lo rende popolare come sonda di superficie per la magnetizzazione."

Ma non è tutto. I ricercatori hanno notato che l'interazione di scambio può sopprimere gli effetti di ASOT, quindi hanno scelto con cura un campione che fosse abbastanza spesso da impedire agli spin sui due lati del campione di forzarsi l'un l'altro a puntare nella stessa direzione.

Wang e Lorenz hanno dimostrato che sulle due superfici del film dove si accumulano gli spin, si osserva la stessa rotazione di Kerr. tecnicamente, la rotazione di Kerr si riferisce a come la luce riflessa cambia la sua polarizzazione, che è direttamente correlato al modo in cui la magnetizzazione viene ruotata fuori dal piano del film di permalloy. Questa è una prova indiscutibile di ASOT.

Ulteriori conferme dei risultati della ricerca provengono dal lavoro teorico. I ricercatori hanno eseguito simulazioni utilizzando il loro modello fenomenologico per dimostrare che c'è un forte accordo con i loro dati. Inoltre, i collaboratori teorici hanno anche usato la teoria del funzionale della densità, un tipo di modellazione che osserva microscopicamente gli atomi invece di assumere le proprietà degli oggetti, per mostrare un accordo qualitativo con l'esperimento.

Lorenz osserva che il professore a contratto della Stanford University e lo scienziato del Lawrence Lab Staff Hendrick Ohldag hanno dato contributi seminali alla concezione dell'esperimento. Lorenz afferma che l'esperimento ha beneficiato anche dei contributi dei collaboratori dell'Illinois Materials Research Science and Engineering Center, l'Università di Denver, l'Università del Delaware, e il National Institute of Standards and Technology nel Maryland e in Colorado.

Lorenz sottolinea, "Quello che abbiamo dimostrato ora è che un ferromagnete può indurre un cambiamento nella propria magnetizzazione. Questo potrebbe essere un vantaggio per la ricerca e lo sviluppo della tecnologia della memoria magnetica".

Fan aggiunge, "Mentre è stato dimostrato che la coppia spin-orbita nei doppi strati di ferromagnete/metallo ha un grande potenziale nelle memorie magnetiche di futura generazione, a causa del controllo elettrico della magnetizzazione, il nostro risultato mostra che il ferromagnete può generare su se stesso una coppia di spin-orbita molto forte. Se riusciamo a sfruttare adeguatamente l'accoppiamento spin-orbita del ferromagnete stesso, potremmo essere in grado di costruire memorie magnetiche più efficienti dal punto di vista energetico".