Los físicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han observado por primera vez un fenómeno magnético llamado "par de giro anómalo en órbita" (ASOT). La profesora Virginia Lorenz y el estudiante de posgrado Wenrui Wang, ahora graduado y empleado como científico de la industria, hizo esta observación, demostrando que existe competencia entre lo que se conoce como acoplamiento espín-órbita y la alineación de un espín electrónico a la magnetización. Esto puede considerarse análogo al efecto Hall anómalo (AHE).

Desde hace mucho tiempo Los físicos han conocido fenómenos interesantes como el AHE en el que los giros de una determinada especie se acumulan en el borde de una película. Sus acumulaciones son detectables con mediciones eléctricas. Este tipo de experimento requiere la magnetización de la película para apuntar perpendicular al plano de la película. De hecho, el efecto Hall y experimentos similares como el AHE en el pasado utilizan un campo magnético aplicado (para muestras no magnéticas) o la magnetización de la película (para muestras magnéticas), siempre perpendicular al plano de la película.

No se han encontrado efectos como el AHE para magnetizaciones que apuntan en el plano, hasta ahora.

Aprovechando el efecto Kerr magneto-óptico (MOKE), que puede sondear la magnetización cerca de la superficie de una muestra magnética, Wang y Lorenz demostraron que una corriente eléctrica modifica la magnetización cerca de la superficie de una muestra ferromagnética para apuntar en una dirección diferente a la magnetización del interior de la muestra. No es necesariamente extraño que la magnetización cerca de la superficie pueda diferir de la del interior, como lo demuestran los experimentos previos en el par de giro en órbita. Sin embargo, los investigadores de Illinois utilizaron una película puramente ferromagnética, mientras que los experimentos anteriores sobre el par de giro de la órbita combinaron ferromagnetos con metales que tienen una propiedad llamada "acoplamiento de giro de la órbita".

Este descubrimiento tiene implicaciones para la tecnología de memoria magnética energéticamente eficiente.

Los hallazgos del equipo se publican en el 22 de julio de Número 2019 de la revista Nanotecnología de la naturaleza .

Magnetismo y par de giro en órbita convencional

El magnetismo es omnipresente:lo usamos todos los días, por ejemplo, para pegar papeles en la puerta de un refrigerador o para asegurarnos de que nuestros cargadores de teléfonos no se desconecten prematuramente.

Microscópicamente, el magnetismo surge de una colección de electrones, que todos tienen una propiedad conocida como espín. El giro es una fuente de momento angular para los electrones y su "movimiento" puede compararse con la forma en que giran las peonzas de los juguetes, aunque en realidad, en mecánica cuántica, el movimiento de giro no se parece a nada en la mecánica clásica. Para electrones, el giro viene en dos especies, formalmente llamado up spin y down spin. Dependiendo de cómo apunten colectivamente los giros, un material puede ser ferromagnético, teniendo espines de electrones vecinos todos apuntando en la misma dirección, o antiferromagnético, teniendo espines de electrones vecinos apuntando en direcciones opuestas. Estos son solo dos de varios tipos de magnetismo.

Pero, ¿qué sucede cuando el magnetismo se combina con otros fenómenos como el acoplamiento espín-órbita?

Lorenz señala, "Hay toda una familia de efectos que se generan simplemente haciendo pasar una corriente eléctrica a través de una muestra y separando los espines. El efecto Hall anómalo ocurre en películas ferromagnéticas delgadas y se ve como la acumulación de espines en los bordes de la muestra. Si la magnetización apunta fuera del plano de la película, es decir, perpendicular al plano de la superficie de la muestra, y una corriente fluye perpendicular a la magnetización, entonces se pueden ver acumulaciones de giros. Pero esto sucede sólo si la película ferromagnética también tiene acoplamiento de órbita-espín ".

El acoplamiento de espín-órbita hace que las especies de espín, hacia arriba o hacia abajo, se muevan estrictamente en ciertas direcciones. Como modelo simplista, desde el punto de vista de los electrones que se mueven a través de una película, pueden dispersarse hacia la izquierda o hacia la derecha si algo interrumpe su movimiento. Curiosamente, los espines se ordenan en función de la dirección en la que se mueve un electrón. Si los electrones dispersos por la izquierda han girado, entonces los electrones dispersos a la derecha deben haber girado hacia abajo y viceversa.

Por último, esto lleva a que los giros hacia arriba se acumulen en un borde de la película y los giros hacia abajo se acumulen en el borde opuesto.

Se ha encontrado un par de giro-órbita convencional (SOT) en estructuras bicapa de una película ferromagnética adyacente a un metal con acoplamiento de giro-órbita.

Lorenz señala, "En el pasado, esto siempre ha sucedido con dos capas. No necesitas solo un ferromagnet, pero también alguna fuente para que los espines se separen para inducir un cambio en el ferromaimán mismo ".

Si una corriente fluye a través del metal acoplado a la órbita de espín, los giros hacia arriba y hacia abajo se separan como en el AHE. Una de esas especies de espín se acumulará en la interfaz donde se encuentran el ferromagnético y el metal. La presencia de esos espines afecta la magnetización en el ferromagnet cerca de la interfaz al inclinar los espines allí.

Lorenz continúa, "Siempre se asumió, o al menos no se investigó en profundidad, que necesitamos estos metales con un fuerte acoplamiento espín-órbita para incluso ver un cambio en el ferromaimán".

Los resultados del experimento de Wang y Lorenz ahora desafían directamente esta suposición.

Observación de un par de giro anómalo en órbita

Wang y Lorenz encontraron que no era necesario colocar un metal con acoplamiento de órbita de espín adyacente a la película ferromagnética para generar un SOT y observar una magnetización fuera del plano.

Wang comenta:"Nuestro trabajo revela un fenómeno de órbita giratoria que se ha pasado por alto durante mucho tiempo, el par de giro anómalo en órbita, o ASOT, en materiales ferromagnéticos metálicos bien estudiados como permalloy. El ASOT no solo complementa la imagen física de los efectos de la órbita de giro inducidos por la corriente eléctrica, como el efecto Hall anómalo, pero también abre la posibilidad de un control más eficiente del magnetismo en las memorias de computadora basadas en espines ".

Los investigadores hicieron pasar una corriente desde un borde de la película hasta su opuesto y, además, forzaron la magnetización de la película a apuntar en la misma dirección.

La física aquí se complica por el hecho de que hay dos fenómenos que compiten:la magnetización y el acoplamiento espín-órbita. La magnetización está trabajando para alinear el giro consigo mismo; el electrón gira como un trompo, pero con el tiempo se alinea con la magnetización y detiene su precesión. Sin acoplamiento giro-órbita, esto significaría que la magnetización en todos los bordes apuntaría en la misma dirección. Sin embargo, El acoplamiento espín-órbita funciona para mantener la dirección del espín con el movimiento del electrón. Cuando compiten el acoplamiento espín-órbita y la magnetización, el resultado es un compromiso:el giro está a medio camino entre los dos efectos.

Profesor David Cahill, quien también colaboró ​​en los experimentos en la Universidad de Illinois, explica:"En última instancia, los giros que se acumulan en la superficie de la película terminan apuntando parcialmente fuera del plano de la superficie y los giros que se acumulan en la superficie opuesta apuntan parcialmente fuera del plano de la superficie en la dirección opuesta ".

A diferencia del AHE, el ASOT no se puede detectar eléctricamente, por lo que Wang y Lorenz emplearon medidas MOKE, disparar láseres a dos superficies expuestas para mostrar que la magnetización apunta hacia el plano de la superficie.

Lorenz le da crédito a su colaborador, Profesor Xin Fan de la Universidad de Denver, con la concepción de este experimento.

Fan explica, "MOKE es un efecto para describir el cambio de polarización cuando la luz se refleja en la superficie de un material magnético. El cambio de polarización está directamente relacionado con la magnetización y la luz tiene una pequeña profundidad de penetración en la muestra, lo que lo hace popular para su uso como sonda de superficie para magnetización ".

Pero eso no es todo. Los investigadores notaron que la interacción de intercambio puede suprimir los efectos de ASOT, por lo que eligieron cuidadosamente una muestra que fuera lo suficientemente gruesa como para que los giros en los dos lados de la muestra no pudieran forzarse entre sí para apuntar en la misma dirección.

Wang y Lorenz demostraron que en las dos superficies de la película donde se acumulan los giros, se observa la misma rotación de Kerr. Técnicamente, la rotación de Kerr se refiere a cómo la luz reflejada cambia su polarización, que se correlaciona directamente con la forma en que la magnetización gira fuera del plano de la película de permalloy. Esta es una prueba indiscutible de ASOT.

La confirmación adicional de los resultados de la investigación proviene del trabajo teórico. Los investigadores han realizado simulaciones utilizando su modelo fenomenológico para demostrar que existe un fuerte acuerdo con sus datos. Adicionalmente, Los colaboradores teóricos también han utilizado la teoría funcional de la densidad, un tipo de modelado que mira microscópicamente a los átomos en lugar de asumir las propiedades de los objetos, para mostrar una concordancia cualitativa con el experimento.

Lorenz señala que el profesor adjunto de la Universidad de Stanford y científico del personal del laboratorio de Lawrence, Hendrick Ohldag, hizo contribuciones fundamentales a la concepción del experimento. Lorenz dice que el experimento también se benefició de las contribuciones de los colaboradores del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de Illinois, la Universidad de Denver, la Universidad de Delaware, y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Maryland y Colorado.

Lorenz enfatiza, "Lo que hemos demostrado ahora es que un ferromagnético puede inducir un cambio en su propia magnetización. Esto podría ser de gran ayuda para la investigación y el desarrollo de la tecnología de memoria magnética".

Fan agrega, "Si bien se ha demostrado que el par de giro en órbita en las bicapas de ferromagnet / metal tiene un gran potencial en las memorias magnéticas de la generación futura, debido al control eléctrico de magnetización, Nuestro resultado muestra que el ferromagnet puede generar un par de giro en órbita muy fuerte sobre sí mismo. Si podemos aprovechar adecuadamente el acoplamiento espín-órbita del propio ferromaimán, es posible que seamos capaces de construir memorias magnéticas más eficientes desde el punto de vista energético ".