Рис. Первый в мире прототип спинтронного устройства, использующего аномальный эффект крутящего момента Холла. Источник: Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-024-01819-7

Электроны имеют крошечные магнитные поля, которые являются дипольными — некоторые спины ориентированы на север («вверх») или на юг («вниз») или где-то посередине. Подобно магнитам, противоположные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются. Крутящий момент ориентации спина относится к скорости, с которой электрон вращается вокруг фиксированной точки. В некоторых материалах электричество сортирует электроны на основе их спиновой ориентации. Распределение спиновой ориентации (симметрия) будет влиять на направленный поток магнитного поля ферромагнетика.

Аномальный крутящий момент Холла связан с известным аномальным эффектом Холла, который описывает как электроны рассеиваются асимметрично при прохождении через магнитный материал, что приводит к току заряда, который течет под углом 90 градусов к потоку внешнего электрического тока. Оказывается, аналогичный процесс происходит для спина — когда внешний электрический ток подается на материал, спиновый ток течет под углом 90 градусов к потоку электрического тока с ориентацией спина вдоль направления намагниченности. Таким образом все сводится к симметрии.

Аномальный крутящий момент Холла, спиновой крутящий моментом Холла и планарный крутящий моментом Холла — вместе образуют "триаду" спин-орбитальных крутящих моментов. Поскольку триада крутящего момента должна присутствовать во всех проводящих спинтронных материалах, авторы назвали их "универсальными крутящими моментами Холла". Эта универсальность даст исследователям мощный инструмент для разработки устройств спинтроники.

Традиционная спинтроника обычно состоит из немагнитного слоя, зажатого между двумя ферромагнитными материалами, как в магниторезистивной памяти с произвольным доступом (MRAM). MRAM со спиновым моментом хранят и манипулируют данными, вводя спин-поляризованный ток из одного магнитного слоя во второй магнитный слой, который меняет ориентацию спина второго магнитного слоя. Ориентация спина «вверх» или «вниз» может быть сопоставлена с нулями и единицами, используемыми для хранения двоичных данных. MRAM со спиновым моментом могут хранить и получать доступ к данным быстрее и эффективнее, чем традиционные MRAM, которые полагаются на магнитные поля для переворота потока.

Авторы демонстрируют, что в их устройстве спин-ориентация может быть передана от ферромагнитного проводника к соседнему немагнитному материалу, устраняя необходимость во втором ферромагнитном слое. Фактически, авторы построили первый в истории спинтронный прототип, который использует аномальный эффект крутящего момента Холла.