Una figura di merito, definito come il rapporto tra il campo critico HC e la densità di corrente critica JC per manipolare la struttura magnetica, in funzione dello spessore dello strato magnetico per l'antiferromagnete non collineare (NC-AFM) come visto in questo studio. Qui è mostrato anche un ferromagnete collineare (C-Ferro) e un ferrimagnete (C-Ferri) precedentemente studiati. Credito:S. Fukami
I ricercatori della Tohoku University e della Japan Atomic Energy Agency (JAEA) hanno scoperto un nuovo fenomeno spintronico:una rotazione persistente della struttura dello spin chirale.
La loro scoperta è stata pubblicata sulla rivista Materiali della natura il 13 maggio, 2021.
I ricercatori della Tohoku University e della JAEA hanno studiato la risposta della struttura chirale di spin di un Mn antiferromagnete non collineare 3 Sn film sottile per iniezione di spin dell'elettrone e ha scoperto che la struttura chirale-spin mostra una rotazione persistente a campo magnetico zero. Inoltre, la loro frequenza può essere sintonizzata dalla corrente applicata.
"Il controllo elettrico della struttura magnetica è stato di fondamentale interesse nella comunità della spintronica nell'ultimo quarto di secolo. Il fenomeno mostrato qui fornisce uno schema molto efficiente per manipolare le strutture magnetiche, offrendo nuove opportunità di applicazione, come oscillatori, generatori di numeri casuali, e memoria non volatile, " ha detto il professor Shunsuke Fukami, che ha guidato il progetto.
La Figura 1 confronta l'efficienza della manipolazione della struttura magnetica su un antiferromagnete non collineare, come si vede nel presente lavoro, con quelli riportati per altri sistemi materiali. La rotazione chirale indotta dalla corrente è molto più efficiente anche per strati magnetici spessi superiori a 20 nm.
Gli schemi della rotazione dello spin chirale e il setup sperimentale sono mostrati in figura 2.
Uno schema dell'esperimento e della rotazione persistente con spin chirale trovato in questo studio. Credito:S. Fukami
I ricercatori hanno utilizzato un'eterostruttura di alta qualità costituita da antiferromagneti non collineari Mn 3 Sn racchiuso tra metalli pesanti W/Ta e Pt. Hanno rivelato che, quando viene applicata una corrente all'eterostruttura, la struttura chirale-spin ruota in modo persistente a campo magnetico nullo a causa della coppia originata dalla corrente di spin generata nei metalli pesanti. Nel frattempo, la frequenza di rotazione, tipicamente sopra 1 GHz, dipende dalla corrente applicata.
La spintronica è un campo interdisciplinare, dove i gradi di libertà elettrici e magnetici degli elettroni sono utilizzati simultaneamente, consentendo una manipolazione elettrica della struttura magnetica. Gli schemi rappresentativi finora stabiliti sono riassunti nella figura 3.
commutazione di magnetizzazione, transizione di fase magnetica, oscillazione, e risonanza sono state osservate nei ferromagneti, che sono promettenti in quanto possono portare alla realizzazione di dispositivi funzionali in memoria non volatile, comunicazone wireless, e così via.
Esempi rappresentativi di controllo elettrico del magnetismo. Credito:S. Fukami
Inoltre, negli antiferromagneti, la rotazione di 90 gradi del vettore di Néel nei sistemi collineari e la commutazione di 180 gradi delle strutture di spin chirale nei sistemi non collineari sono stati osservati di recente. La rotazione persistente dello spin chirale nel lavoro attuale è totalmente diversa da tutti i fenomeni precedentemente riscontrati e quindi dovrebbe aprire un nuovo orizzonte della ricerca spintronica.
"L'intuizione ottenuta non è solo interessante in termini di fisica e scienza dei materiali, ma anche attraente per applicazioni di dispositivi funzionali, " ha aggiunto il dottor Yutaro Takeuchi, il primo autore del saggio. "Vorremmo migliorare ulteriormente la tecnica del materiale e del dispositivo nel prossimo futuro e dimostrare nuovi dispositivi funzionali come l'oscillatore sintonizzabile e il generatore di numeri casuali reali di alta qualità".
