Stora orbitalströmmar kan induceras i lättmetall

Inom forskningen har man tidigare kunnat förutsäga att elektriska fält kan generera stora strömmar av orbitalmoment, men det har varit en stor utmaning att verifiera att så är fallet.

Elektroner i metaller har dels ett spinnmoment och dels ett orbitalmoment. Spinnmomentet är en inneboende egenskap hos elektroner medan orbitalmoment skapas av elektronernas rörelse kring atomens kärna. När elektroner med motsatt spinnmoment rör sig i en metall med tillräcklig stark spinn-bankoppling börjar de röra sig i motsatta riktningar, vilket är en effekt som kallas spinn-Hall-effekten.

Spinn-Hall-effekten omvandlar elektrisk ström till en spinnström i metaller och för tolv år sedan upptäcktes att denna spinnström kunde utnyttjas för att styra magnetisering i magnetiska komponenter med korta strömpulser. Denna upptäckt öppnade upp för pågående utveckling av en helt ny teknologi för digital informationsbehandling. Men för att få tillräckligt stora spinnströmmar krävs material som består av tyngre atomer, såsom platina som är väldigt dyra.

Tidigare noggranna beräkningar har visat att det också skulle finnas en orbital Hall-effekt som är betydligt större än spinn-Hall-effekten, som dessutom inte är beroende av spinn-bankopplingen. Men fram tills nu har man inte kunnat bevisa existensen av den orbitala Hall-effekten. Anledningen till att den orbitala Hall-effekten tidigare inte har kunnat bevisas är att de båda Halleffekterna alltid uppträder tillsammans och är svåra att särskilja.

I den nya studien har forskarna använt sig av magnetooptisk detektion för att noggrant detektera ackumulation av orbital magnetisering på ytan av en 30 nanometer tunn kromfilm. Därmed kunde de bevisa att den magnetooptiska signalen stämde mer överens med alla de egenskaper som förväntas för en orbitalström.

Forskarna kunde dessutom genom precisa beräkningar förutsäga hur den magnetooptiska signalen förändras med tjockleken på kromfilmen. Och detta visade sig stämma precis överens med mätningar och därmed bekräfta att signalen kom från den orbitala Hall-effekten.

– Upptäckten av den orbitala Hall-effekten kan ha stor betydelse för framtidens dynamiska datorminnen. De tungmetaller som använts nu, som platina, är både dyra och miljöskadliga och kan komma att ersättas med billiga gröna metaller, som krom. Då kan man samtidig uppnå ännu större effekter vilket innebär att elementen kan komma att kunna drivas mer energisnålt, säger Peter Oppeneer.

Studien har genomförts i ett internationellt samarbete mellan Sanaz Alikhah, Marco Berritta och Peter Oppeneer från Uppsala universitet och Igor Lyalin och Roland Kawakami från Ohio State University.

Artikelreferens

Magneto-Optical Detection of the Orbital Hall Effect in Chromium. Igor Lyalin, Sanaz Alikhah, Marco Berritta, Peter M. Oppeneer, and Roland K. Kawakami, Phys. Rev. Lett. 131, 156702; Publicerad 11 oktober 2023. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.156702

Tidigare studie

Miron, I., Garello, K., Gaudin, G. et al. Perpendicular switching of a single ferromagnetic layer induced by in-plane current injection. Nature 476, 189–193 (2011). DOI:https://doi.org/10.1038/nature10309

Kontakt

Sanaz Alikhah, doktorand vid institutionen för fysik och astronomi, sanaz.alikha@physics.uu.se

Marco Berritta, gästforskare vid institutionen för fysik och astronomi, m.berritta@exeter.ac.uk

Peter Oppeneer, professor vid institutionen för fysik och astronomi, peter.oppeneer@physics.uu.se

Camilla Thulin