Простое открытие потрясает основы спинтроники

Загадочный эффект в спинтронике получил более простое объяснение, которое ставит под сомнение одну из самых проверенных теорий в этой области. Автор: AI/ScienceDaily.com

Одним из самых поразительных открытий в спинтронике является необычное магнитосопротивление (UMR). В этом эффекте электрическое сопротивление тяжелого металла изменяется, когда он помещается рядом с магнитным изолятором, а направление намагниченности вращается в плоскости, перпендикулярной потоку электрического тока. Это явление сыграло ключевую роль в формировании концепции спинового холловского магнитосопротивления (SMR), которое стало доминирующим объяснением UMR. Со временем SMR широко использовалось для интерпретации результатов многих типов экспериментов, включая измерения магнитосопротивления, ферромагнитный резонанс со спиновым крутящим моментом, исследования гармонического холловского напряжения, магнитные датчики поля и переключение векторов намагниченности или Нееля.

По мере проведения большего числа экспериментов исследователи заметили нечто загадочное. UMR проявлялось почти во всех магнитных системах, даже в тех случаях, где не было спинового холловского материала. Эффект также был обнаружен в системах, где теория SMR явно неприменима (например, без спинового холловского эффекта). Чтобы устранить эти несоответствия, ученые предложили растущий список альтернативных объяснений, связанных со спиновыми токами или родственными эффектами. К ним относятся магнитосопротивление Рашбы-Эдельштейна, спин-орбитальное магнитосопротивление, аномальное холловское магнитосопротивление, орбитальное холловское магнитосопротивление, магнитосопротивление кристаллической симметрии, орбитальное магнитосопротивление Рашбы-Эдельштейна и магнитосопротивление Ханле. Каждое из них было разработано для объяснения «SMR-подобных» сигналов, наблюдаемых в конкретных экспериментальных установках.

Появляется новый экспериментальный ответ

Недавно профессор Лицзюнь Чжу из Института полупроводников Китайской академии наук и профессор Сянжун Ван из Китайского университета Гонконга представили четкие экспериментальные доказательства, указывающие на иное происхождение универсального UMR. Их работа показывает, что эффект возникает из-за того, как электроны рассеиваются на границах раздела, причем это рассеяние контролируется как намагниченностью, так и электрическим полем на границе. Этот процесс известен как двухвекторное магнитосопротивление. Что важно, это объяснение не опирается на спиновые токи, что устраняет многие сложности, присущие более ранним моделям.

Их эксперименты показали, что очень большие сигналы UMR могут появляться даже в однослойных магнитных металлах. Они также обнаружили, что эффект включает вклады высшего порядка и подчиняется универсальному правилу сумм. Все эти наблюдения близко соответствуют тому, что предсказывает модель двухвекторного магнитосопротивления, без необходимости привлекать механизмы, основанные на спиновых токах.

Переосмысление данных многолетних экспериментов

Исследователи также провели тщательный обзор предыдущих исследований. Этот повторный анализ показал, что многие влиятельные экспериментальные результаты, когда-то приписываемые спиновому холловскому магнитосопротивлению или другим механизмам, связанным (или даже не связанным) со спиновыми токами, могут быть последовательно объяснены с использованием двухвекторной модели магнитосопротивления. Кроме того, они выделили несколько экспериментальных и теоретических результатов, которые прямо противоречат моделям магнитосопротивления на основе спиновых токов, но естественным образом объясняются двухвекторным подходом.

Вызов давно устоявшейся теории

В совокупности эти результаты представляют серьезный вызов давно принятой теории SMR. Они предоставляют первое убедительное экспериментальное подтверждение модели двухвекторного магнитосопротивления и устанавливают единое, универсальное физическое объяснение для UMR. Тем самым эта работа предлагает более простой и всеобъемлющий способ понимания магнитосопротивления в широком спектре спинтронных систем.

Это исследование было недавно опубликовано в журнале National Science Review под названием «Физическое происхождение универсального необычного магнитосопротивления».

Источники:

Материалы предоставлены Science China Press.

Лицзюнь Чжу, Цяньбяо Лю, Сянжун Ван. Физическое происхождение универсального необычного магнитосопротивления. National Science Review, 2025; 12 (8) DOI: 10.1093/nsr/nwaf240