Une quasiparticule est une perturbation ou une excitation (par exemple des ondes de spin, bulles, etc.) qui se comporte comme une particule et pourrait donc être considérée comme telle. Les interactions à longue distance entre les quasiparticules peuvent donner lieu à une « traînée, ' qui affecte les propriétés fondamentales de nombreux systèmes en physique de la matière condensée.

Cette traînée implique généralement un échange de quantité de mouvement linéaire entre quasiparticules, ce qui influence fortement leurs propriétés de transport. Des chercheurs d'IBM et de l'Institut Max Planck ont ​​mené une étude sur ces oscillations de traînée et de chiralité dans les antiferroaimants synthétiques. Dans leur papier, qui a été récemment publié dans Physique de la nature , ils ont défini un nouveau type de traînée qui implique l'échange de moment cinétique entre deux parois de domaine magnétique entraînées par le courant.

"Dans les années récentes, J'ai travaillé sur l'interaction du courant de spin avec la paroi du domaine magnétique chiral dont la chiralité est définie par l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya à l'interface, " Voir-Hun Yang, un chercheur d'IBM qui a réalisé l'étude, Raconté Phys.org .

En 2013, Yang et ses collègues ont montré que les parois des domaines chiraux peuvent être efficacement déplacées par un courant de spin induit par une interaction relativiste spin-orbite, appelé couple spin-orbite. Autour du même moment, cette observation a également été rapportée par un groupe de chercheurs du MIT.

Quelques années plus tard, Yang et ses collègues ont observé que les parois des domaines chiraux couplés peuvent se déplacer à une vitesse beaucoup plus élevée (~ 1 km/s) par le courant, en raison d'un puissant couple de couplage d'échange lorsqu'ils sont couplés de manière antiferromagnétique. Yang a développé un modèle qui pourrait aider à mieux comprendre ces observations et a également découvert un nouveau couple puissant appelé couple de couplage d'échange.

"Pendant l'ajustement des données avec mon modèle, J'ai repéré une étrange phase d'anomalie dans un certain espace de paramètres dans la vitesse de paroi du domaine par rapport aux courbes de champ longitudinal appliquées qui montre une forte asymétrie, " a expliqué Yang. " J'ai observé qu'une paroi de domaine couplée est considérablement ralentie aux champs négatifs lorsque le couplage d'échange est relativement faible. Par exemple, mon modèle a montré que la vitesse du domaine couplé s'effondre de 500 m/s à zéro en appliquant simplement un champ de -50 mT."

Yang a découvert que la réduction spectaculaire de la vitesse observée dans ses recherches était due à l'oscillation du déplacement des parois de domaine couplées. Le plus intéressant, il a appris que les aimantations des parois du domaine oscillent/précessent d'une manière qui est corrélée de manière synchrone avec le déplacement des parois du domaine.

"Pour observer cette intéressante phase de roman, nous avons commencé une nouvelle expérience en préparant des dispositifs formés de films antiferromagnétiques synthétiques faiblement couplés (SAF), ce qui pourrait être réalisé en cultivant des couches de cobalt plus minces prenant en sandwich l'espaceur de ruthénium dans le SAF, " a déclaré Yang. "Notez que l'interaction Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) induit un couplage d'échange entre les couches de cobalt à travers la couche d'espacement de ruthénium."

La force et le signe des interactions RKKY dépendent sensiblement de l'épaisseur d'une couche de ruthénium. Puisque les interactions RKKY ne sont sensibles qu'aux interfaces, étant donné une épaisseur de couche de ruthénium particulière, la force de couplage d'échange peut être ajustée davantage en amincissant la couche de cobalt en dessous d'une monocouche.

« Dans notre expérience, nous avons heureusement et immédiatement reproduit la courbe vitesse-champ longitudinal hautement asymétrique de la paroi du domaine et l'effondrement spectaculaire de la vitesse de la paroi du domaine prédit par mon modèle, dont j'étais très excité à l'époque, " dit Yang. " Cependant, il m'a fallu plus d'un an pour bien comprendre le mécanisme physique de cette étrange phase."

Pour tenter de mieux comprendre ses observations antérieures, Yang a passé beaucoup de temps à étudier son modèle et à réécrire les équations couplées du mouvement de plusieurs manières différentes. Il a finalement découvert que l'étrange phase dynamique qu'il avait observée était liée à une sorte de traînée appelée traînée d'échange chiral (CED).

« Lorsqu'un courant circule dans deux sous-couches couplées, des couples spin-orbite différents sont exercés sur les parois de domaine chirales car l'environnement de chaque paroi de domaine n'est pas identique, " expliqua Yang. " Par conséquent, une paroi de domaine chiral se déplace plus rapidement que l'autre. Cependant, puisque leurs positions sont étroitement liées les unes aux autres, un mur de domaine plus rapide "traîne" un plus lent. Cela signifie que les parois du domaine couplé se déplacent à la vitesse intermédiaire, C'est, vitesse moyenne pondérée par leurs aimantations."

Ce processus ne donne pas immédiatement lieu à la phase étrange observée par Yang, car à ce stade, les parois des domaines couplés se déplacent toujours à une vitesse constante et raisonnable. Cependant, lorsque la traînée augmente et dépasse une valeur seuil, la structure des parois du domaine chiral devient instable. Dans ses recherches, Yang a également constaté que le champ longitudinal appliqué agit comme un bouton, qui peut être utilisé pour régler la force de traînée.

"Cette structure de paroi de domaine instable correspond à l'étrange phase dynamique, et je l'ai surnommé 'anomalie de traînée d'échange chiral, "" a déclaré Yang. "J'ai appris que dans cette phase, la magnétisation de la paroi du domaine chiral plus lent précesse, C'est, la chiralité oscille. Essentiellement, dans cette phase d'anomalie de traînée d'échange chiral, l'énergie cinétique d'une grande traînée est convertie en un autre DDL interne de moment cinétique, C'est, rotation azimutale de l'aimantation de paroi de domaine, conduisant ainsi à une baisse spectaculaire du déplacement moyen des murs de domaine."

Pendant qu'il développait son modèle, Yang a également introduit deux nouveaux concepts :les murs de quasi-domaines et les domaines composites. Les murs de quasi-domaine sont des murs de domaine fictifs contraints à des sous-couches en fil SAF, comme si leurs positions étaient découplées les unes des autres et qu'ils se déplacent indépendamment. Leurs aimantations sont habillées d'interaction de couplage d'échange, donc, les parois de quasi-domaines sont similaires aux quasi-particules. Murs de domaine composites, d'autre part, correspondent aux parois de domaine couplées réelles qui sont composées de parois de quasi-domaine verrouillées en position.

« Quand j'ai décrit ces concepts pour la première fois, Je n'avais pas réalisé à quel point mes découvertes étaient importantes et quel impact elles auraient en physique au sens large, " dit Yang. " Quelque temps plus tard, deux autres idées sur la signification physique importante de « traînée » me sont venues lorsque je voyageais. Le premier s'est produit quand j'étais dans un train en train de lire un article de critique sur la drague de Coulomb."

À l'époque où il a fait cette première réalisation, Yang venait de découvrir que si CED et Coulomb drag partagent de nombreuses similitudes, ils présentaient également des différences substantielles. Par exemple, contrairement à la traînée de Coulomb, dans la chiralité du DEC joue un rôle clé, les positions des parois de domaines chirales couplées sont liées les unes aux autres, et les parois du domaine chiral ont un autre DOF interne.

"J'ai eu un deuxième aperçu lorsque je lisais un chapitre sur les équations de Dirac d'un manuel de théorie quantique des champs dans une chambre d'hôtel pendant des vacances, " a dit Yang. " A l'époque, J'étais intrigué par des analogues surprenants entre mes fermions CED et Dirac. Par exemple, la chiralité des parois de domaine couplées est constante dans l'état d'équilibre de CED. Ceci est similaire aux ferimons de Dirac sans masse qui peuvent être décrits par les équations de Weyl. Dans ce cas, la chiralité est un bon nombre quantique et constant. D'autre part, à mesure que les fermions de Dirac deviennent massifs, la chiralité n'est plus un état propre tel que la chiralité oscille avec une fréquence d'oscillation qui est linéairement proportionnelle à la masse. De la même manière, dans la phase d'anomalie CED, la chiralité de la paroi de domaine plus lente oscille avec une fréquence d'oscillation qui est presque linéairement proportionnelle à la magnétisation nette."

La nouvelle recherche menée par Yang et ses collègues est basée sur ses travaux et observations antérieurs. Dans cette étude, ils ont utilisé la microscopie Kerr magnéto-optique pour mesurer les parois du domaine magnétique chiral entraînées par le courant, ce qui leur a permis de repérer leur position. Avant d'appliquer des impulsions de courant, ils ont pris une image Kerr de fils modelés par un film SAF faiblement couplé.

"Après avoir appliqué une séquence d'impulsions longues de quelques nanosecondes au fil, une autre image de Kerr a été prise, " Yang a expliqué. " La vitesse de la paroi du domaine pourrait alors être calculée à partir de la distance de déplacement de la paroi du domaine divisée par la longueur d'impulsion actuelle. "

Les chercheurs ont utilisé un microscope Kerr équipé d'électroaimants. Cela leur a permis d'appliquer des champs magnétiques dans le plan et hors du plan au cours de la procédure décrite ci-dessus.

Yang et ses collègues ont réussi à définir une nouvelle forme de traînée, DEC, qui est dérivé de parois de domaine magnétique chirales couplées qui sont associées à un couple de transfert de moment angulaire. En outre, ils ont observé que la force de cette traînée peut être ajustée en tirant parti de la nature chirale des parois de domaine.

Finalement, les chercheurs ont observé une nouvelle phase dynamique de paroi de domaine, la phase d'anomalie DEC décrite ci-dessus, qui a lieu lorsque la traînée dépasse une valeur seuil. De façon intéressante, l'anomalie CED et CED présentent des similitudes frappantes avec d'autres phénomènes de traînée en physique de la matière condensée, comme la traînée de Coulomb, ainsi qu'avec les fermions de Dirac en physique des hautes énergies.

« Nous assistons à l'émergence d'un domaine passionnant, Spintronique chirale, le mariage de la spintronique avec la chiralité, qui a attiré une énorme attention dans les communautés de physique de la matière magnétique et condensée, " a déclaré Yang. "Je pense que le CED et l'anomalie du CED sont un exemple exceptionnel et une contribution significative à la spintronique chirale. Je prévois maintenant de m'attaquer à d'autres systèmes chiraux tels que les ferri-aimants et antiferromagnétiques chiraux et leur interaction avec les spins en mouvement."

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