서울대학교 응용물리연구소

연구활동

[김덕호 박사(교토대학교)/김대연 학생/최석봉 교수] “Vanishing skyrmion Hall effect at the angular momentum compensation temperature of a ferrimagnet” Nature Nanotechnology

2019-02-01l 조회수 2146
Vanishing skyrmion Hall effect at the angular momentum compensation temperature of a ferrimagnet /

도체에서 자기장이 존재하면 전자의 흐름은 전류의 방향에서 벗어나 홀(Hall) 효과를 발생한다. 유사하게, 유한한 토폴로지 전하를 가진 스커미온(Skyrimion)이 이동할 때 스커미온 홀 (Skyrimion Hall) 효과가 발생한다. 이는 스컨미온을 기반을 한 race-track 메모리 응용에 매우 큰 문제를 발생시킨다. 그러나 반 강자성 스커미온은 총 스핀 밀도에 비례하는 가상의 자기장이 0이기 때문에 반 강자성 물질에서 스커미온 홀 효과는 사라질 것으로 예측되었다. 본 연구에서 준 자성 물질에서 스커미온 버블의 전류 구동 움직임을 관찰하였다. 본 연구에서 스커미온 홀 효과는 전류 방향과 스커미온 버블이 늘어지며 확장하는 elongation 각도로부터 얻을 수 있었다. 스커미온 홀 효과로부터 발생하는 elongation 각도는 총 스핀 밀도가 사라지는 각운동량 보상 온도에서 사라짐을 실험적으로 관찰하였고, 이론과 시뮬레이션을 이용해 현상을 이해할 수 있었다. 이를 통해 가상 자기장과 스핀 밀도 사이의 직접적인 관계에 대해 직접적인 증명을 하였다. 본 연구 성과는 Nature Nanotechnology에 01월 21일 출간되었다.

Abstract: In the presence of a magnetic field, the flow of charged particles in a conductor is deflected from the direction of the applied force, giving rise to the ordinary Hall effect. Analogously, moving skyrmions with non-zero topological charges and finite fictitious magnetic fields exhibit the skyrmion Hall effect, which is detrimental for applications such as skyrmion racetrack memory. It was predicted that the skyrmion Hall effect vanishes for antiferromagnetic skyrmions because their fictitious magnetic field, proportional to net spin density, is zero. Here, we investigate the current driven transverse elongation of pinned ferrimagnetic bubbles. We estimate the skyrmion Hall effect from the angle between the current and the bubble elongation directions. The angle and, hence, the skyrmion Hall effect vanishes at the angular momentum compensation temperature where the net spin density vanishes. Furthermore, our study establishes a direct connection between the fictitious magnetic field and the spin density.

Authors: Yuushou Hirata, Duck-Ho Kim★, Se Kwon Kim, Dong-Kyu Lee, Se-Hyeok Oh, Dae-Yun Kim (서울대), Tomoe Nishimura, Takaya Okuno, Yasuhiro Futakawa, Hiroki Yoshikawa, Arata Tsukamoto, Yaroslav Tserkovnyak, Yoichi Shiota, Takahiro Moriyama, Sug-Bong Choe (서울대), Kyung-Jin Lee★, and Teruo Ono★
★: Corresponding authors
Nature Nanotechnology
Doi: 10.1038/s41565-018-0345-2
Published online: 2019.01.21
https://www.nature.com/articles/s41565-018-0345-2