研究合成反鐵磁體中的手性交換阻力和手性振蕩

準粒子是擾動或激發(fā)(例如自旋波，氣泡等)，其表現(xiàn)為粒子，因此可以視為一個粒子。準粒子之間的長程相互作用可以產(chǎn)生“阻力”，這會影響凝聚態(tài)物理中許多系統(tǒng)的基本性質。這種阻力通常涉及準粒子之間的線性動量的交換，這強烈地影響它們的傳輸性質。IBM和馬克斯普朗克研究所的研究人員進行了一項研究，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，它涉及兩個電流驅動的磁疇壁之間的角動量交換。

“近年來，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，手性疇壁可以通過相對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。大約在同一時間，麻省理工學院的一組研究人員也報告了這一觀察結果。

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

“在我的模型數(shù)據(jù)擬合過程中，我發(fā)現(xiàn)在疇壁速度的某個參數(shù)空間中存在一個奇怪的異常相位，與應用的縱向場曲線相比，顯示出高度的不對稱性，”楊解釋道。“當交換耦合相對較弱時，我觀察到耦合疇壁在負磁場上顯著減慢。例如，我的模型顯示，通過僅應用-50 mT場，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的方式振蕩/進動。

“為了觀察這個有趣的新階段，我們開始了一項新的實驗，通過制備由弱耦合合成反鐵磁(SAF)薄膜形成的器件，這可以通過在SAF中生長將釕間隔物夾在中間的更薄的鈷層來實現(xiàn)，”Yang說。“請注意，Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)相互作用會引起跨越釕間隔層的鈷層之間的交換耦合。”

RKKY相互作用的強度和符號敏感地取決于釕層的厚度。由于RKKY相互作用僅對界面敏感，因此給定特定的釕層厚度，可以通過將鈷層減薄到一個單層以下來進一步調整交換耦合強度。

“在我們的實驗中，我們幸運地并且立即再現(xiàn)了高度不對稱的疇壁速度 - 縱向場曲線和由我的模型預測的疇壁速度的急劇崩潰，我當時非常興奮，”楊說。“然而，我花了一年多的時間才完全理解這個奇怪階段的物理機制。”

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

“當電流流入兩個耦合的子層時，不同的自旋軌道扭矩會施加在手性疇壁上，因為每個疇壁的環(huán)境不相同，”Yang解釋說。“因此，一個手性疇壁移動得比另一個快。但是，由于它們的位置彼此緊密結合，因此較快的疇壁”拖動“較慢的一個。這意味著耦合疇壁以中間速度移動，即是，平均速度由它們的磁化加權。“這個過程不會立即引起楊觀察到的奇怪相位，因為在這個階段，耦合疇壁仍然以穩(wěn)定和合理的速度行進。然而，隨著阻力增加并超過閾值，手性疇壁的結構變得不穩(wěn)定。在他的研究中，Yang還發(fā)現(xiàn)應用的縱向場作為旋鈕，可以用來調整阻力。

“這種不穩(wěn)定的疇壁結構對應于奇怪的動態(tài)階段，我將其稱為'手性交換阻力異常'，”楊說。“我了解到，在這個階段，較慢的手性疇壁的磁化過程，即手性振蕩?；旧希谶@個手征交換阻力異常階段，大阻力的動能被轉換為另一個角動量的內部自由度，也就是說，疇壁磁化的方位角旋轉，從而導致疇壁平均位移的急劇下降。“

在他開發(fā)模型的同時，楊還介紹了兩個新概念：準域墻和復合域。準域墻是圍繞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立地移動。它們的磁化通過交換耦合相互作用進行修飾，因此，準疇壁類似于準粒子。另一方面，復合疇壁對應于由位置鎖定的準疇壁組成的實際耦合疇壁。

“當我第一次描述這些概念時，我并沒有意識到我的發(fā)現(xiàn)有多重要，以及它們對廣泛的物理學會有什么影響，”楊說。“一段時間后，我在旅行時發(fā)現(xiàn)了兩個關于”拖拽“的重要物理意義的進一步見解。第一個發(fā)生在我坐火車上讀一篇關于庫侖阻力的評論文章時。

在他第一次意識到這一點的時候，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，與庫侖阻力相反，在CED中，手性起著關鍵作用，耦合的手性疇壁的位置彼此結合，并且手性疇壁具有另一個內部DOF。

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

楊和他的同事們進行的新研究是基于他以前的工作和觀察。在這項研究中，他們使用磁光克爾顯微鏡來測量電流驅動的手性磁疇壁，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。

“在向導線施加幾納秒長脈沖的序列后，又拍攝了另一個克爾圖像，”楊解釋道。“然后可以根據(jù)疇壁位移距離除以當前脈沖長度來計算疇壁速度。”

研究人員使用配備電磁鐵的克爾顯微鏡。這允許它們在上述過程期間施加平面內和平面外磁場。

Yang和他的同事們成功地定義了一種新形式的阻力CED，它來源于與角動量傳遞扭矩相關的耦合手征磁疇壁。此外，他們觀察到可以通過利用疇壁的手性性質來調節(jié)這種阻力的強度。

最后，研究人員觀察到一個新的疇壁動態(tài)階段，即上面概述的CED異常階段，當阻力超過閾值時發(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(例如庫侖阻力)以及高能物理中的狄拉克費米子具有驚人的相似性。

“我們正在目睹一個激動人心的領域 - 手性自旋電子學，即自旋電子學與手性的結合，這在磁性和凝聚態(tài)物理學界引起了極大的關注，”楊說。“我認為CED和CED異常是手性自旋電子學的一個突出的例子和重要貢獻。我現(xiàn)在正計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旋轉的相互作用。”