研究合成反铁磁体中的手性交换阻力和手性振荡

准粒子是扰动或激发(例如自旋波，气泡等)，其表现为粒子，因此可以视为一个粒子。准粒子之间的长程相互作用可以产生“阻力”，这会影响凝聚态物理中许多系统的基本性质。这种阻力通常涉及准粒子之间的线性动量的交换，这强烈地影响它们的传输性质。IBM和马克斯普朗克研究所的研究人员进行了一项研究，研究合成反铁磁体中的这种拖曳和手性振荡。在他们最近发表在Nature Physics上的论文中，他们定义了一种新型的阻力，它涉及两个电流驱动的磁畴壁之间的角动量交换。

“近年来，我研究了自旋电流与手性磁畴壁的相互作用，其手性由Dzyaloshinskii-Moriya在界面上的相互作用设定，”执行该研究的IBM研究员See-Hun Yang告诉Phys.org。

2013年，杨和他的同事表明，手性畴壁可以通过相对论自旋轨道相互作用引起的自旋电流(称为自旋轨道扭矩)有效地移动。大约在同一时间，麻省理工学院的一组研究人员也报告了这一观察结果。

几年后，杨和他的同事观察到耦合的手性畴壁可以通过电流以更高的速度(~1 km / s)移动，这是由于当它们反铁磁耦合时具有强大的交换耦合扭矩。杨开发了一个模型，可以帮助更好地理解这些观察结果，并发现了一种新的强大扭矩，称为交换耦合扭矩。

“在我的模型数据拟合过程中，我发现在畴壁速度的某个参数空间中存在一个奇怪的异常相位，与应用的纵向场曲线相比，显示出高度的不对称性，”杨解释道。“当交换耦合相对较弱时，我观察到耦合畴壁在负磁场上显着减慢。例如，我的模型显示，通过仅应用-50 mT场，耦合域速度从500 m / s下降到零“。

杨发现他的研究中观察到的速度急剧下降是由于耦合畴壁位移的振荡。最有趣的是，他了解到畴壁磁化以与畴壁位移同步相关的方式振荡/进动。

“为了观察这个有趣的新阶段，我们开始了一项新的实验，通过制备由弱耦合合成反铁磁(SAF)薄膜形成的器件，这可以通过在SAF中生长将钌间隔物夹在中间的更薄的钴层来实现，”Yang说。“请注意，Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)相互作用会引起跨越钌间隔层的钴层之间的交换耦合。”

RKKY相互作用的强度和符号敏感地取决于钌层的厚度。由于RKKY相互作用仅对界面敏感，因此给定特定的钌层厚度，可以通过将钴层减薄到一个单层以下来进一步调整交换耦合强度。

“在我们的实验中，我们幸运地并且立即再现了高度不对称的畴壁速度 - 纵向场曲线和由我的模型预测的畴壁速度的急剧崩溃，我当时非常兴奋，”杨说。“然而，我花了一年多的时间才完全理解这个奇怪阶段的物理机制。”

为了更好地理解他之前的观察，杨花了很长时间研究他的模型并以几种不同的方式重写耦合运动方程。他终于发现他观察到的奇怪的动态阶段与一种称为手征交换阻力(CED)的阻力有关。

“当电流流入两个耦合的子层时，不同的自旋轨道扭矩会施加在手性畴壁上，因为每个畴壁的环境不相同，”Yang解释说。“因此，一个手性畴壁移动得比另一个快。但是，由于它们的位置彼此紧密结合，因此较快的畴壁”拖动“较慢的一个。这意味着耦合畴壁以中间速度移动，即是，平均速度由它们的磁化加权。“这个过程不会立即引起杨观察到的奇怪相位，因为在这个阶段，耦合畴壁仍然以稳定和合理的速度行进。然而，随着阻力增加并超过阈值，手性畴壁的结构变得不稳定。在他的研究中，Yang还发现应用的纵向场作为旋钮，可以用来调整阻力。

“这种不稳定的畴壁结构对应于奇怪的动态阶段，我将其称为'手性交换阻力异常'，”杨说。“我了解到，在这个阶段，较慢的手性畴壁的磁化过程，即手性振荡。基本上，在这个手征交换阻力异常阶段，大阻力的动能被转换为另一个角动量的内部自由度，也就是说，畴壁磁化的方位角旋转，从而导致畴壁平均位移的急剧下降。“

在他开发模型的同时，杨还介绍了两个新概念：准域墙和复合域。准域墙是围绕SAF线中子层的虚拟域墙，好像它们的位置彼此分离并且它们独立地移动。它们的磁化通过交换耦合相互作用进行修饰，因此，准畴壁类似于准粒子。另一方面，复合畴壁对应于由位置锁定的准畴壁组成的实际耦合畴壁。

“当我第一次描述这些概念时，我并没有意识到我的发现有多重要，以及它们对广泛的物理学会有什么影响，”杨说。“一段时间后，我在旅行时发现了两个关于”拖拽“的重要物理意义的进一步见解。第一个发生在我坐火车上读一篇关于库仑阻力的评论文章时。

在他第一次意识到这一点的时候，杨刚刚发现虽然CED和Coulomb阻力有许多相似之处，但它们也有很大差异。例如，与库仑阻力相反，在CED中，手性起着关键作用，耦合的手性畴壁的位置彼此结合，并且手性畴壁具有另一个内部DOF。

“当我在度假期间从酒店房间的量子场理论教科书中读到关于狄拉克方程的章节时，我得到了第二个洞察力，”杨说。“当时，我对我的CED和Dirac费米子之间令人惊讶的类似物感兴趣。例如，耦合畴壁的手性在CED的稳态下是恒定的。这类似于Weyl方程可描述的无质量Dirac ferimons。在这种情况下，手性是一个很好的量子数和常数。另一方面，随着狄拉克费米子变大，手性不再是本征态，因此手性振荡的振荡频率与质量成线性比例。

杨和他的同事们进行的新研究是基于他以前的工作和观察。在这项研究中，他们使用磁光克尔显微镜来测量电流驱动的手性磁畴壁，这使他们能够发现它们的位置。在他们施加电流脉冲之前，他们拍摄了由弱耦合SAF薄膜图案化的线的克尔图像。

“在向导线施加几纳秒长脉冲的序列后，又拍摄了另一个克尔图像，”杨解释道。“然后可以根据畴壁位移距离除以当前脉冲长度来计算畴壁速度。”

研究人员使用配备电磁铁的克尔显微镜。这允许它们在上述过程期间施加平面内和平面外磁场。

Yang和他的同事们成功地定义了一种新形式的阻力CED，它来源于与角动量传递扭矩相关的耦合手征磁畴壁。此外，他们观察到可以通过利用畴壁的手性性质来调节这种阻力的强度。

最后，研究人员观察到一个新的畴壁动态阶段，即上面概述的CED异常阶段，当阻力超过阈值时发生。有趣的是，CED和CED异常都与凝聚态物理中的其他阻力现象(例如库仑阻力)以及高能物理中的狄拉克费米子具有惊人的相似性。

“我们正在目睹一个激动人心的领域 - 手性自旋电子学，即自旋电子学与手性的结合，这在磁性和凝聚态物理学界引起了极大的关注，”杨说。“我认为CED和CED异常是手性自旋电子学的一个突出的例子和重要贡献。我现在正计划解决其他手性系统，如手性ferrimagnets和反铁磁体以及它们与移动旋转的相互作用。”