Undersøker magnetisk eksitasjonsindusert spinnstrøm i kromtrihalogenider

En genial tilnærming til utvikling av laveffekts-, høyhastighets- og høytetthetsminneenheter er basert på spintronikk, en fremvoksende grense innen teknologi som utnytter en grad av frihet for elektroner kjent som spinn. Enkelt sagt, elektroner, sammen med deres negative ladning, har et spinn hvis orientering kan kontrolleres ved hjelp av magnetiske felt. Dette er spesielt relevant for magnetiske isolatorer, der elektronene ikke kan bevege seg rundt, men spinnet forblir kontrollerbart. I disse materialene kan de magnetiske eksitasjonene gi opphav til en spinnstrøm, som danner grunnlaget for spintronikk.

Forskere har lett etter effektive metoder for å generere spinnstrømmen. Den fotogalvaniske effekten, et fenomen preget av generering av likestrøm fra lysbelysning, er spesielt nyttig i denne forbindelse. Studier har funnet at en fotogalvanisk spinnstrøm kan genereres på samme måte ved å bruke magnetfeltene i elektromagnetiske bølger. Imidlertid mangler vi for øyeblikket kandidatmateriale og en generell matematisk formulering for å utforske dette fenomenet.

Nå har førsteamanuensis Hiroaki Ishizuka fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), sammen med sin kollega, tatt opp disse problemene. I deres nylige studie publisert i Fysiske gjennomgangsbrev, presenterte de en generell formel som kan brukes til å beregne den fotogalvaniske spinnstrømmen indusert av tverrgående oscillerende magnetiske eksitasjoner. De brukte deretter denne formelen for å forstå hvordan fotogalvaniske spinnstrømmer oppstår i tolags krom (Cr) trihalogenidforbindelser, nemlig kromtriiodid (CrI)₃) og kromtribromid (CrBr₃).

“I motsetning til tidligere studier som vurderte longitudinelle oscillerende magnetiske felt for å generere spinnstrømmer, fokuserer vår studie på tverrgående oscillerende magnetiske felt. Basert på dette fant vi at prosesser som involverer ett magnon (kvantum av spinnbølgeeksitasjoner)-bånd samt to magnonbånd bidrar til spinnstrømmen», utdyper Dr. Ishizuka.

Ved å bruke formelen deres fant duoen at både CrI₃ og CrBr₃ viste en stor fotogalvanisk spinnstrøm for magnetiske eksitasjoner tilsvarende elektromagnetiske bølger ved gigahertz- og terahertz-frekvenser. Imidlertid dukket strømmen bare opp når spinnene viste antiferromagnetisk rekkefølge, noe som betyr at påfølgende spinn var antiparallelle, i motsetning til ferromagnetisk rekkefølge (der påfølgende spinn er parallelle).

Videre ble spinnstrømretningen styrt av orienteringen av den antiferromagnetiske rekkefølgen (om spinnene på det første og andre laget var arrangert opp-ned eller ned-opp). I tillegg påpekte de at, i motsetning til tidligere funn som tilskrev spinnstrømmen bare til to-magnon-prosessen, viste formelen deres at en stor respons generelt var mulig med single magnon-prosessen.

Disse resultatene tyder på at tolags CrI₃ og CrBr₃ er sterke kandidater for å undersøke mekanismen forbundet med fotogalvanisk spinnstrømgenerering.

“Vår studie forutsier ikke bare uforutsette bidrag til spinnstrøm men gir også en retningslinje for design av nye materialer drevet av den fotogalvaniske effekten av magnetiske eksitasjoner,” sier Dr. Ishizuka.

---

---