研究合成反鐵磁體中的手性交換阻力和手性振蕩

準(zhǔn)粒子是擾動(dòng)或激發(fā)(例如自旋波，氣泡等)，其表現(xiàn)為粒子，因此可以視為一個(gè)粒子。準(zhǔn)粒子之間的長(zhǎng)程相互作用可以產(chǎn)生“阻力”，這會(huì)影響凝聚態(tài)物理中許多系統(tǒng)的基本性質(zhì)。這種阻力通常涉及準(zhǔn)粒子之間的線性動(dòng)量的交換，這強(qiáng)烈地影響它們的傳輸性質(zhì)。IBM和馬克斯普朗克研究所的研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)研究，研究合成反鐵磁體中的這種拖曳和手性振蕩。在他們最近發(fā)表在Nature Physics上的論文中，他們定義了一種新型的阻力，它涉及兩個(gè)電流驅(qū)動(dòng)的磁疇壁之間的角動(dòng)量交換。

“近年來(lái)，我研究了自旋電流與手性磁疇壁的相互作用，其手性由Dzyaloshinskii-Moriya在界面上的相互作用設(shè)定，”執(zhí)行該研究的IBM研究員See-Hun Yang告訴Phys.org。

2013年，楊和他的同事表明，手性疇壁可以通過(guò)相對(duì)論自旋軌道相互作用引起的自旋電流(稱為自旋軌道扭矩)有效地移動(dòng)。大約在同一時(shí)間，麻省理工學(xué)院的一組研究人員也報(bào)告了這一觀察結(jié)果。

幾年后，楊和他的同事觀察到耦合的手性疇壁可以通過(guò)電流以更高的速度(~1 km / s)移動(dòng)，這是由于當(dāng)它們反鐵磁耦合時(shí)具有強(qiáng)大的交換耦合扭矩。楊開(kāi)發(fā)了一個(gè)模型，可以幫助更好地理解這些觀察結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)了一種新的強(qiáng)大扭矩，稱為交換耦合扭矩。

“在我的模型數(shù)據(jù)擬合過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)在疇壁速度的某個(gè)參數(shù)空間中存在一個(gè)奇怪的異常相位，與應(yīng)用的縱向場(chǎng)曲線相比，顯示出高度的不對(duì)稱性，”楊解釋道。“當(dāng)交換耦合相對(duì)較弱時(shí)，我觀察到耦合疇壁在負(fù)磁場(chǎng)上顯著減慢。例如，我的模型顯示，通過(guò)僅應(yīng)用-50 mT場(chǎng)，耦合域速度從500 m / s下降到零“。

楊發(fā)現(xiàn)他的研究中觀察到的速度急劇下降是由于耦合疇壁位移的振蕩。最有趣的是，他了解到疇壁磁化以與疇壁位移同步相關(guān)的方式振蕩/進(jìn)動(dòng)。

“為了觀察這個(gè)有趣的新階段，我們開(kāi)始了一項(xiàng)新的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)制備由弱耦合合成反鐵磁(SAF)薄膜形成的器件，這可以通過(guò)在SAF中生長(zhǎng)將釕間隔物夾在中間的更薄的鈷層來(lái)實(shí)現(xiàn)，”Yang說(shuō)。“請(qǐng)注意，Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)相互作用會(huì)引起跨越釕間隔層的鈷層之間的交換耦合。”

RKKY相互作用的強(qiáng)度和符號(hào)敏感地取決于釕層的厚度。由于RKKY相互作用僅對(duì)界面敏感，因此給定特定的釕層厚度，可以通過(guò)將鈷層減薄到一個(gè)單層以下來(lái)進(jìn)一步調(diào)整交換耦合強(qiáng)度。

“在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們幸運(yùn)地并且立即再現(xiàn)了高度不對(duì)稱的疇壁速度 - 縱向場(chǎng)曲線和由我的模型預(yù)測(cè)的疇壁速度的急劇崩潰，我當(dāng)時(shí)非常興奮，”楊說(shuō)。“然而，我花了一年多的時(shí)間才完全理解這個(gè)奇怪階段的物理機(jī)制。”

為了更好地理解他之前的觀察，楊花了很長(zhǎng)時(shí)間研究他的模型并以幾種不同的方式重寫(xiě)耦合運(yùn)動(dòng)方程。他終于發(fā)現(xiàn)他觀察到的奇怪的動(dòng)態(tài)階段與一種稱為手征交換阻力(CED)的阻力有關(guān)。

“當(dāng)電流流入兩個(gè)耦合的子層時(shí)，不同的自旋軌道扭矩會(huì)施加在手性疇壁上，因?yàn)槊總€(gè)疇壁的環(huán)境不相同，”Yang解釋說(shuō)。“因此，一個(gè)手性疇壁移動(dòng)得比另一個(gè)快。但是，由于它們的位置彼此緊密結(jié)合，因此較快的疇壁”拖動(dòng)“較慢的一個(gè)。這意味著耦合疇壁以中間速度移動(dòng)，即是，平均速度由它們的磁化加權(quán)。“這個(gè)過(guò)程不會(huì)立即引起楊觀察到的奇怪相位，因?yàn)樵谶@個(gè)階段，耦合疇壁仍然以穩(wěn)定和合理的速度行進(jìn)。然而，隨著阻力增加并超過(guò)閾值，手性疇壁的結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定。在他的研究中，Yang還發(fā)現(xiàn)應(yīng)用的縱向場(chǎng)作為旋鈕，可以用來(lái)調(diào)整阻力。

“這種不穩(wěn)定的疇壁結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于奇怪的動(dòng)態(tài)階段，我將其稱為'手性交換阻力異常'，”楊說(shuō)。“我了解到，在這個(gè)階段，較慢的手性疇壁的磁化過(guò)程，即手性振蕩。基本上，在這個(gè)手征交換阻力異常階段，大阻力的動(dòng)能被轉(zhuǎn)換為另一個(gè)角動(dòng)量的內(nèi)部自由度，也就是說(shuō)，疇壁磁化的方位角旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致疇壁平均位移的急劇下降。“

在他開(kāi)發(fā)模型的同時(shí)，楊還介紹了兩個(gè)新概念：準(zhǔn)域墻和復(fù)合域。準(zhǔn)域墻是圍繞SAF線中子層的虛擬域墻，好像它們的位置彼此分離并且它們獨(dú)立地移動(dòng)。它們的磁化通過(guò)交換耦合相互作用進(jìn)行修飾，因此，準(zhǔn)疇壁類(lèi)似于準(zhǔn)粒子。另一方面，復(fù)合疇壁對(duì)應(yīng)于由位置鎖定的準(zhǔn)疇壁組成的實(shí)際耦合疇壁。

“當(dāng)我第一次描述這些概念時(shí)，我并沒(méi)有意識(shí)到我的發(fā)現(xiàn)有多重要，以及它們對(duì)廣泛的物理學(xué)會(huì)有什么影響，”楊說(shuō)。“一段時(shí)間后，我在旅行時(shí)發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)關(guān)于”拖拽“的重要物理意義的進(jìn)一步見(jiàn)解。第一個(gè)發(fā)生在我坐火車(chē)上讀一篇關(guān)于庫(kù)侖阻力的評(píng)論文章時(shí)。

在他第一次意識(shí)到這一點(diǎn)的時(shí)候，楊剛剛發(fā)現(xiàn)雖然CED和Coulomb阻力有許多相似之處，但它們也有很大差異。例如，與庫(kù)侖阻力相反，在CED中，手性起著關(guān)鍵作用，耦合的手性疇壁的位置彼此結(jié)合，并且手性疇壁具有另一個(gè)內(nèi)部DOF。

“當(dāng)我在度假期間從酒店房間的量子場(chǎng)理論教科書(shū)中讀到關(guān)于狄拉克方程的章節(jié)時(shí)，我得到了第二個(gè)洞察力，”楊說(shuō)。“當(dāng)時(shí)，我對(duì)我的CED和Dirac費(fèi)米子之間令人驚訝的類(lèi)似物感興趣。例如，耦合疇壁的手性在CED的穩(wěn)態(tài)下是恒定的。這類(lèi)似于Weyl方程可描述的無(wú)質(zhì)量Dirac ferimons。在這種情況下，手性是一個(gè)很好的量子數(shù)和常數(shù)。另一方面，隨著狄拉克費(fèi)米子變大，手性不再是本征態(tài)，因此手性振蕩的振蕩頻率與質(zhì)量成線性比例。

楊和他的同事們進(jìn)行的新研究是基于他以前的工作和觀察。在這項(xiàng)研究中，他們使用磁光克爾顯微鏡來(lái)測(cè)量電流驅(qū)動(dòng)的手性磁疇壁，這使他們能夠發(fā)現(xiàn)它們的位置。在他們施加電流脈沖之前，他們拍攝了由弱耦合SAF薄膜圖案化的線的克爾圖像。

“在向?qū)Ь€施加幾納秒長(zhǎng)脈沖的序列后，又拍攝了另一個(gè)克爾圖像，”楊解釋道。“然后可以根據(jù)疇壁位移距離除以當(dāng)前脈沖長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算疇壁速度。”

研究人員使用配備電磁鐵的克爾顯微鏡。這允許它們?cè)谏鲜鲞^(guò)程期間施加平面內(nèi)和平面外磁場(chǎng)。

Yang和他的同事們成功地定義了一種新形式的阻力CED，它來(lái)源于與角動(dòng)量傳遞扭矩相關(guān)的耦合手征磁疇壁。此外，他們觀察到可以通過(guò)利用疇壁的手性性質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)這種阻力的強(qiáng)度。

最后，研究人員觀察到一個(gè)新的疇壁動(dòng)態(tài)階段，即上面概述的CED異常階段，當(dāng)阻力超過(guò)閾值時(shí)發(fā)生。有趣的是，CED和CED異常都與凝聚態(tài)物理中的其他阻力現(xiàn)象(例如庫(kù)侖阻力)以及高能物理中的狄拉克費(fèi)米子具有驚人的相似性。

“我們正在目睹一個(gè)激動(dòng)人心的領(lǐng)域 - 手性自旋電子學(xué)，即自旋電子學(xué)與手性的結(jié)合，這在磁性和凝聚態(tài)物理學(xué)界引起了極大的關(guān)注，”楊說(shuō)。“我認(rèn)為CED和CED異常是手性自旋電子學(xué)的一個(gè)突出的例子和重要貢獻(xiàn)。我現(xiàn)在正計(jì)劃解決其他手性系統(tǒng)，如手性ferrimagnets和反鐵磁體以及它們與移動(dòng)旋轉(zhuǎn)的相互作用。”