Una cuasipartícula es una perturbación o excitación (por ejemplo, ondas de espín, burbujas etc.) que se comporta como una partícula y, por lo tanto, podría considerarse como una. Las interacciones de largo alcance entre cuasipartículas pueden dar lugar a un 'arrastre, 'que afecta las propiedades fundamentales de muchos sistemas en la física de la materia condensada.

Este arrastre generalmente implica un intercambio de momento lineal entre cuasipartículas, lo que influye fuertemente en sus propiedades de transporte. Investigadores de IBM y el Instituto Max Planck han llevado a cabo un estudio que investiga estas oscilaciones de arrastre y quiralidad en antiferromagnetos sintéticos. En su papel que fue publicado recientemente en Física de la naturaleza , definieron un nuevo tipo de arrastre que implica el intercambio de momento angular entre dos paredes de dominio magnético impulsadas por la corriente.

"En años recientes, He trabajado en la interacción de la corriente de espín con la pared de dominio magnético quiral cuya quiralidad está establecida por la interacción Dzyaloshinskii-Moriya en la interfaz, "See-Hun Yang, un investigador de IBM que llevó a cabo el estudio, dicho Phys.org .

En 2013, Yang y sus colegas demostraron que las paredes de los dominios quirales se pueden mover de manera eficiente mediante una corriente de espín inducida por la interacción relativista espín-órbita, denominado par de giro en órbita. Casi al mismo tiempo, esta observación también fue informada por un grupo de investigadores del MIT.

Unos años despues, Yang y sus colegas observaron que las paredes de dominios quirales acoplados pueden moverse a una velocidad mucho mayor (~ 1 km / s) por la corriente, debido a un potente par de acoplamiento de intercambio cuando están acoplados antiferromagnéticamente. Yang desarrolló un modelo que podría ayudar a comprender mejor estas observaciones y también descubrió un nuevo par potente llamado par de acoplamiento de intercambio.

"Durante el ajuste de datos con mi modelo, Vi una extraña fase de anomalía en un cierto espacio de parámetros en la velocidad de la pared del dominio versus las curvas de campo longitudinal aplicadas que muestran una alta asimetría, "Yang explicó." Observé que una pared de dominio acoplado se ralentiza drásticamente en campos negativos cuando el acoplamiento de intercambio es relativamente débil. Por ejemplo, mi modelo mostró que la velocidad del dominio acoplado colapsa de 500 m / s a ​​cero mediante la aplicación de un campo de -50 mT ".

Yang descubrió que la dramática reducción de la velocidad observada en su investigación se debía a la oscilación del desplazamiento de las paredes de los dominios acoplados. Lo más interesante es aprendió que las magnetizaciones de las paredes de los dominios oscilan / precesan de una manera que se correlaciona sincrónicamente con el desplazamiento de las paredes de los dominios.

"Para observar esta interesante fase de la novela, comenzamos un nuevo experimento preparando dispositivos formados a partir de películas sintéticas antiferromagnéticas (SAF) débilmente acopladas, que podría lograrse mediante el crecimiento de capas de cobalto más delgadas intercalando el espaciador de rutenio en SAF, "Dijo Yang." Tenga en cuenta que la interacción Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) induce el acoplamiento de intercambio entre las capas de cobalto a través de la capa espaciadora de rutenio ".

La fuerza y ​​el signo de las interacciones RKKY dependen sensiblemente del grosor de una capa de rutenio. Dado que las interacciones RKKY solo son sensibles a las interfaces, dado un espesor de capa de rutenio particular, la fuerza de acoplamiento de intercambio se puede ajustar más adelgazando la capa de cobalto debajo de una monocapa.

"En nuestro experimento, Por suerte e inmediatamente reproducimos la curva de campo longitudinal-velocidad de la pared de dominio altamente asimétrica y el colapso dramático de la velocidad de la pared de dominio predicho por mi modelo, por lo que estaba muy emocionado en ese momento, "Dijo Yang." Sin embargo, Me tomó más de un año comprender completamente el mecanismo físico de esta extraña fase ".

En un intento por comprender mejor sus observaciones anteriores, Yang pasó mucho tiempo investigando su modelo y reescribiendo ecuaciones de movimiento acopladas de varias formas diferentes. Finalmente descubrió que la extraña fase dinámica que había observado estaba relacionada con una especie de arrastre llamado arrastre de intercambio quiral (CED).

"Cuando una corriente fluye hacia dos subcapas acopladas, se ejercen diferentes pares de giro en órbita sobre las paredes de los dominios quirales, ya que el entorno para cada pared de los dominios no es idéntico, "Yang explicó." En consecuencia, una pared de dominio quiral se mueve más rápido que la otra. Sin embargo, puesto que sus posiciones están estrechamente ligadas entre sí, un muro de dominio más rápido "arrastra" uno más lento. Esto significa que las paredes del dominio acoplado se mueven a la velocidad intermedia, es decir, velocidad media ponderada por sus magnetizaciones ".

Este proceso no da lugar inmediatamente a la extraña fase observada por Yang, ya que en esta etapa las paredes del dominio acoplado todavía viajan a una velocidad constante y razonable. Sin embargo, a medida que la resistencia aumenta y supera un valor umbral, la estructura de las paredes del dominio quiral se vuelve inestable. En su investigación, Yang también descubrió que el campo longitudinal aplicado actúa como una perilla, que se puede utilizar para ajustar la fuerza de arrastre.

"Esta estructura de muro de dominio inestable corresponde a la extraña fase dinámica, y lo llamé 'anomalía de arrastre de intercambio quiral, '", Dijo Yang." Aprendí que en esta fase la magnetización de precesos de pared de dominio quiral más lentos, es decir, la quiralidad oscila. Esencialmente, en esta fase de anomalía de arrastre de intercambio quiral, la energía cinética de un gran arrastre se convierte en otro DOF interno de momento angular, es decir, rotación azimutal de la magnetización de la pared del dominio, lo que lleva a una caída dramática del desplazamiento promedio de las paredes del dominio ".

Mientras estaba desarrollando su modelo, Yang también introdujo dos nuevos conceptos:muros de cuasi-dominio y dominios compuestos. Los muros de cuasi-dominio son muros de dominio ficticios restringidos a subcapas en cable SAF, como si sus posiciones estuvieran desacopladas y se movieran de forma independiente. Sus magnetizaciones se visten con interacción de acoplamiento de intercambio, por lo tanto, Las paredes de cuasi-dominio son similares a las cuasi-partículas. Muros de dominio compuestos, por otra parte, corresponden a los muros de dominio acoplados reales que se componen de muros de cuasi dominio bloqueados por posición.

"Cuando describí estos conceptos por primera vez, No me di cuenta de la importancia de mis hallazgos y del impacto que tendrían en la física general, "Dijo Yang." Algún tiempo después, Cuando viajaba, se me ocurrieron otras dos intuiciones sobre el importante significado físico de "arrastre". El primero sucedió cuando estaba en un tren leyendo un artículo de revisión sobre el arrastre de Coulomb ".

Alrededor de la época en que se dio cuenta de esta primera vez, Yang acababa de descubrir que, si bien CED y Coulomb drag comparten muchas similitudes, también tenían diferencias sustanciales. Por ejemplo, en contraste con la resistencia de Coulomb, en CED la quiralidad juega un papel clave, las posiciones de las paredes de los dominios quirales acoplados están unidas entre sí, y las paredes del dominio quiral tienen otro DOF interno.

"Obtuve una segunda idea cuando estaba leyendo un capítulo sobre las ecuaciones de Dirac de un libro de texto de teoría cuántica de campos en una habitación de hotel durante unas vacaciones, "Dijo Yang." En ese momento, Me intrigaron los sorprendentes análogos entre mi CED y los fermiones de Dirac. Por ejemplo, La quiralidad de las paredes de los dominios acoplados es constante en el estado estacionario de CED. Esto es similar a los ferimones de Dirac sin masa que pueden describirse mediante las ecuaciones de Weyl. En este caso, la quiralidad es un buen número cuántico y constante. Por otra parte, a medida que los fermiones de Dirac se vuelven masivos, la quiralidad ya no es un autoestado tal que la quiralidad oscila con una frecuencia de oscilación que es linealmente proporcional a la masa. Similar, en la fase de anomalía CED, la quiralidad de la pared de dominio más lento oscila con una frecuencia de oscilación que es casi linealmente proporcional a la magnetización neta ".

La nueva investigación llevada a cabo por Yang y sus colegas se basa en su trabajo y observaciones anteriores. En este estudio, utilizaron microscopía magnetoóptica de Kerr para medir las paredes del dominio magnético quiral impulsadas por la corriente, lo que les permitió detectar su posición. Antes de que aplicaran pulsos de corriente, tomaron una imagen de Kerr de cables modelados por una película SAF débilmente acoplada.

"Después de aplicar una secuencia de impulsos de unos pocos nanosegundos al cable, se tomó otra imagen de Kerr, "Yang explicó." La velocidad de la pared del dominio podría calcularse a partir de la distancia de desplazamiento de la pared del dominio dividida por la longitud del pulso actual ".

Los investigadores utilizaron un microscopio Kerr equipado con electroimanes. Esto les permitió aplicar campos magnéticos en el plano y fuera del plano durante el procedimiento descrito anteriormente.

Yang y sus colegas definieron con éxito una nueva forma de arrastre, SECCIÓN DE LA ECONOMÍA, que se deriva de paredes de dominio magnético quiral acopladas que están asociadas con un par de transferencia de momento angular. Además, observaron que la fuerza de esta resistencia se puede ajustar aprovechando la naturaleza quiral de las paredes del dominio.

Finalmente, los investigadores observaron una nueva fase dinámica de la pared de dominio, la fase de anomalía CED descrita anteriormente, que tiene lugar cuando el arrastre supera un valor de umbral. Curiosamente, Tanto la anomalía CED como la CED presentan sorprendentes similitudes con otros fenómenos de arrastre en la física de la materia condensada, como el arrastre de Coulomb, así como con los fermiones de Dirac en la física de altas energías.

"Estamos siendo testigos de la aparición de un campo apasionante, Espintrónica quiral, el matrimonio de la espintrónica con la quiralidad, que ha atraído una enorme atención en las comunidades de física de materia magnética y condensada, "Dijo Yang." Creo que CED y CED anomalía son un ejemplo sobresaliente y una contribución significativa a Chiral Spintronics. Ahora planeo abordar otros sistemas quirales como los ferrimagnetos quirales y los antiferromagnetos y su interacción con los giros en movimiento ".

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