Físicos da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign observaram pela primeira vez um fenômeno magnético denominado "torque rotação-órbita anômala" (ASOT). Professora Virginia Lorenz e estudante de pós-graduação Wenrui Wang, agora formado e empregado como cientista da indústria, fez esta observação, demonstrando que existe competição entre o que é conhecido como acoplamento spin-órbita e o alinhamento do spin de um elétron à magnetização. Isso pode ser considerado análogo ao efeito Hall anômalo (AHE).

Há muito tempo agora, os físicos sabem de fenômenos interessantes, como o AHE, no qual os spins de uma determinada espécie se acumulam na borda de um filme. Suas acumulações são detectáveis ​​com medições elétricas. Este tipo de experimento requer a magnetização do filme para apontar perpendicularmente ao plano do filme. Na verdade, o efeito Hall e experimentos semelhantes, como o AHE no passado, todos usam um campo magnético aplicado (para amostras não magnéticas) ou a magnetização do filme (para amostras magnéticas), sempre perpendicular ao plano do filme.

Efeitos como o AHE não foram encontrados para magnetizações que apontam no plano, até agora.

Aproveitando o efeito Kerr magneto-óptico (MOKE), que pode sondar a magnetização perto da superfície de uma amostra magnética, Wang e Lorenz demonstraram que uma corrente elétrica modifica a magnetização próxima à superfície de uma amostra ferromagnética para apontar em uma direção diferente da magnetização do interior da amostra. Não é necessariamente estranho que a magnetização perto da superfície possa ser diferente daquela no interior, como evidenciado por experimentos anteriores em torque spin-órbita. Contudo, os pesquisadores de Illinois usaram um filme puramente ferromagnético, enquanto experimentos anteriores em torque spin-órbita combinaram ferromagnetos com metais que possuem uma propriedade chamada "acoplamento spin-órbita".

Esta descoberta tem implicações para a tecnologia de memória magnética com eficiência energética.

As descobertas da equipe são publicadas em 22 de julho, Edição de 2019 da revista Nature Nanotechnology .

Magnetismo e torque spin-órbita convencional

O magnetismo é onipresente - nós o usamos todos os dias, por exemplo, para colar papéis na porta de uma geladeira ou para garantir que nossos carregadores de telefone não se desconectem prematuramente.

Microscopicamente, magnetismo surge de uma coleção de elétrons, todos os quais possuem uma propriedade conhecida como spin. O giro é uma fonte de momento angular para elétrons e seu "movimento" pode ser comparado a como os piões de brinquedo giram - embora na realidade, na mecânica quântica, o movimento de rotação não se parece com nada na mecânica clássica. Para elétrons, spin vem em duas espécies, formalmente chamado de rotação para cima e rotação para baixo. Dependendo de como os giros apontam coletivamente, um material pode ser ferromagnético, tendo spins de elétrons vizinhos apontando todos na mesma direção, ou antiferromagnético, tendo spins de elétrons vizinhos apontando em direções opostas. Esses são apenas dois dos vários tipos de magnetismo.

Mas o que acontece quando o magnetismo é combinado com outros fenômenos, como o acoplamento spin-órbita?

Lorenz observa, “Há uma família inteira de efeitos gerados simplesmente pela passagem de uma corrente elétrica por uma amostra e tendo os spins separados. O efeito Hall anômalo ocorre em filmes ferromagnéticos finos e é visto como o acúmulo de spins nas bordas da amostra. Se a magnetização aponta para fora do plano do filme - isto é, perpendicular ao plano da superfície da amostra - e uma corrente flui perpendicular à magnetização, então o acúmulo de giros pode ser visto. Mas isso só acontece se o filme ferromagnético também tiver acoplamento spin-órbita. "

O acoplamento spin-órbita faz com que as espécies de spin - para cima ou para baixo - se movam estritamente em certas direções. Como um modelo simplista, do ponto de vista dos elétrons se movendo através de um filme, eles podem se espalhar para a esquerda ou direita se algo interromper seu movimento. Interessantemente, os spins são classificados com base na direção em que um elétron se move. Se os elétrons espalhados à esquerda giraram, então, os elétrons espalhados à direita devem ter spin para baixo e vice-versa.

Em última análise, isso faz com que as rotações para cima se acumulem em uma borda do filme e as rotações para baixo se acumulem na borda oposta.

O torque convencional de rotação-órbita (SOT) foi encontrado em estruturas de bicamada de um filme ferromagnético adjacente a um metal com acoplamento spin-órbita.

Lorenz aponta, "No passado, isso sempre aconteceu com duas camadas. Você não precisa apenas de um ferromagneto, mas também alguma fonte para os spins se separarem para induzir uma mudança no próprio ferromagneto. "

Se uma corrente flui através do metal acoplado spin-órbita, os spins para cima e para baixo se separam como no AHE. Uma dessas espécies de spin se acumulará na interface onde o ferromagneto e o metal se encontram. A presença desses spins afeta a magnetização no ferromagneto próximo à interface, inclinando os spins nesse local.

Lorenz continua, "Sempre se presumiu - ou pelo menos não foi investigado pesadamente - que precisamos desses metais com um forte acoplamento spin-órbita para ver uma mudança no ferromagneto."

Os resultados do experimento de Wang e Lorenz agora desafiam diretamente essa suposição.

Observação de um torque giro-órbita anômalo

Wang e Lorenz descobriram que era desnecessário colocar um metal com acoplamento spin-órbita adjacente ao filme ferromagnético para gerar um SOT e observar uma magnetização fora do plano.

Comentários de Wang, "Nosso trabalho revela um fenômeno spin-orbit há muito esquecido, o torque giro-órbita anômalo, ou ASOT, em materiais ferromagnéticos metálicos bem estudados, como permalloy. O ASOT não só complementa a imagem física dos efeitos spin-órbita induzidos por corrente elétrica, como o efeito Hall anômalo, mas também abre a possibilidade de um controle mais eficiente do magnetismo em memórias de computador baseadas em spin. "

Os pesquisadores aplicaram uma corrente de uma borda do filme ao seu oposto e, adicionalmente, forçaram a magnetização do filme a apontar na mesma direção.

A física aqui é complicada pelo fato de que há dois fenômenos competindo - magnetização e acoplamento spin-órbita. A magnetização está trabalhando para alinhar o spin consigo mesmo; o elétron gira como um pião, mas com o tempo ele se alinha com a magnetização e interrompe sua precessão. Sem acoplamento spin-órbita, isso significaria que a magnetização em todas as bordas apontaria na mesma direção. Contudo, O acoplamento spin-órbita está trabalhando para manter a direção do spin com o movimento do elétron. Quando o acoplamento spin-órbita e magnetização competem, o resultado é um meio-termo:o spin está a meio caminho entre os dois efeitos.

Professor David Cahill, que também colaborou nos experimentos da Universidade de Illinois, explica:"Em última análise, os giros que se acumulam na superfície do filme acabam apontando parcialmente para fora do plano da superfície e os giros que se acumulam na superfície oposta apontam parcialmente para fora do plano da superfície na direção oposta. "

Ao contrário do AHE, o ASOT não pode ser detectado eletricamente, então Wang e Lorenz empregaram medidas MOKE, disparando lasers em duas superfícies expostas para mostrar que a magnetização apontava para fora do plano da superfície.

Lorenz credita a seu colaborador, Professor Xin Fan da Universidade de Denver, com a concepção deste experimento.

Fan explica, "MOKE é um efeito para descrever a mudança na polarização conforme a luz é refletida da superfície de um material magnético. A mudança de polarização está diretamente correlacionada à magnetização e a luz tem uma pequena profundidade de penetração na amostra, o que o torna popular para uso como uma sonda de superfície para magnetização. "

Mas isso não é tudo. Os pesquisadores notaram que a interação de troca pode suprimir os efeitos do ASOT, então, eles escolheram cuidadosamente uma amostra que fosse espessa o suficiente para que os giros nos dois lados da amostra não pudessem forçar um ao outro a apontar na mesma direção.

Wang e Lorenz demonstraram que nas duas superfícies do filme onde os spins se acumulam, a mesma rotação de Kerr é observada. Tecnicamente, a rotação Kerr se refere a como a luz refletida muda sua polarização, que está diretamente relacionado com a forma como a magnetização é girada para fora do plano do filme de permalloy. Esta é uma evidência indiscutível de ASOT.

A confirmação adicional dos resultados da pesquisa vem do trabalho teórico. Os pesquisadores fizeram simulações usando seu modelo fenomenológico para mostrar que há forte concordância com seus dados. Adicionalmente, colaboradores teóricos também usaram a teoria do funcional da densidade - um tipo de modelagem que olha microscopicamente para os átomos em vez de assumir as propriedades dos objetos - para mostrar concordância qualitativa com o experimento.

Lorenz observa que o professor adjunto da Universidade de Stanford e cientista da equipe do Lawrence Lab, Hendrick Ohldag, fez contribuições seminais para a concepção do experimento. Lorenz diz que o experimento também se beneficiou das contribuições de colaboradores do Illinois Materials Research Science and Engineering Center, a Universidade de Denver, a Universidade de Delaware, e o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em Maryland e Colorado.

Lorenz enfatiza, "O que mostramos agora é que um ferromagneto pode induzir uma mudança em sua própria magnetização. Isso pode ser uma bênção para a pesquisa e o desenvolvimento da tecnologia de memória magnética."

Fan adiciona, "Embora o torque de rotação-órbita em bicamadas de ferromagneto / metal tenha demonstrado grande potencial em memórias magnéticas de geração futura, por causa do controle elétrico da magnetização, nosso resultado mostra que o ferromagneto pode gerar um torque spin-órbita muito forte sobre si mesmo. Se pudermos aproveitar adequadamente o acoplamento spin-órbita do próprio ferromagneto, podemos ser capazes de construir memórias magnéticas com maior eficiência energética. "