Millimeter-große Meron-Gitter, die als Spin-Injektoren für LEDs dienen können.

31. Juli 2023 Funktion

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Merons, topologische Strukturen auf der Basis von in der Ebene magnetisierten magnetischen Materialien, könnten zahlreiche wertvolle Anwendungen haben, insbesondere für die Informationsübertragung oder die Speicherung magnetischer Ladungen. Die meisten bisherigen Realisierungen dieser Strukturen waren jedoch in Größe und thermischer Stabilität begrenzt oder hatten praktisch unpraktikable Anforderungen, wie z.B. die Anwendung externer Magnetfelder. 

Forscher der Universität Xiamen und verschiedener anderer Institute in Japan, China und Schweden haben kürzlich großflächige Meron-Gitter entworfen, die verwendet werden können, um Spins in LEDs oder anderen Geräten einzuführen. Diese Gitter, die in Nature Electronics vorgestellt wurden, bestehen aus drei Schichten: einem dünnen Eisenerfilm, der zwischen einem Palladium- und einem Magnesiumoxidfilm eingebettet ist.

"Die Verwendung von topologischen Spin-Strukturen ist aufgrund ihrer begrenzten Größe, thermischen Stabilität oder der Anforderung magnetischer Felder eingeschränkt", sagte Yaping Wu, eine der Forscherinnen, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. "In dieser Arbeit haben wir einen Ansatz entwickelt, der das Wachstum mit Hilfe eines Hochmagnetfelds (HMF) unterstützt, um diese Beschränkungen zu überwinden und millimetergroße Meron-Gitter zu konstruieren, die bei Raumtemperatur und ohne externes Magnetfeld stabil sind. Wir sind dann gespannt, wie diese Gitter den Elektronenspin-Transport modulieren würden."

Ihre theoretische Analyse enthüllte die Antwort - die Meron-Gitter können eine Spinpolarisation im injizierten Strom erzeugen. Bei der Verwendung zur Einspritzung von Spins in eine nitridbasierte LED erzielten die von Wu und ihren Kollegen geschaffenen Merongitter sehr vielversprechende Ergebnisse und ermöglichten eine Rekord-Circularly-polarisierte Elektrolumineszenz. Beachtlicherweise wurde dies unter Umgebungsbedingungen bei Raumtemperatur erreicht, ohne dass besonders niedrige Temperaturen oder die Verwendung externer Magnetfelder erforderlich waren.

"Diese Forschung basiert auf der Idee und den bisherigen Forschungsanstrengungen, das Wachstum magnetischer Felder zu nutzen, um die Kristallisation von Materialien zu verbessern", sagte Wu. "Unsere Forschungsgruppe hat sich auch dem Design, dem strukturellen Wachstum und der Geräteentwicklung von Halbleitern mit breitem Bandabstand verschrieben. Daher entstand in dieser Arbeit die Idee, die konstruierten millimetergroßen Meron-Gitter mit photoelektronischen Halbleitern zu kombinieren."

Topologische Quasiteilchen wie Merons oder Skyrmions sind im Wesentlichen nicht-koplaniere Spinstrukturen, die in magnetischen Materialien topologisch geschützt sind. Wu und ihre Kollegen wollten topologische Spinstrukturen entwerfen, die bei Raumtemperatur und ohne ein angelegtes Magnetfeld stabil sind, was sich bisher als sehr herausfordernd erwies.

"Topologische Stabilität beruht auf starken orbitalen Wechselwirkungen; daher kann ein HMF während der Kristallisation die d-, s- und p-Orbital-Kopplungen verstärken und einfrieren, genau wie von uns durch erstprinzipielle Berechnungen vorhergesagt", erklärte Wu. "Dementsprechend haben wir eine Ausrüstung für einen HMF-unterstützten MBE-Ansatz entwickelt, um starke-Kopplungs-Materialien zu züchten."

Mit ihrem vorgeschlagenen Ansatz schufen die Forscher eine Trischichtstruktur, nämlich eine Palladium-, eine Eisen- und eine Magnesiumoxidschicht (Pd/Fe/MgO). Diese Struktur ermöglichte die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkungen (DMI) an den Grenzflächen und wurde auf einem Galliumnitrid (GaN)-Wafer platziert.

"Das HMF wurde während des Wachstums des Eisenfilms angewendet, um die räumliche Inversionssymmetrie weiter zu brechen und die Orbitalausrichtung zu steuern, um eine hochgeordnete Kristallisation und Spin zu erreichen. Als Ergebnis wurden großflächige Meron-Gitter konstruiert", sagte Wu. "Die resultierenden großflächigen Meron-Gitter sind bei Raumtemperatur und unter null Magnetfeld stabil."

Die von Wu und ihren Kollegen geschaffenen großflächigen Meron-Gitter können chirale Merons auf Elektronen und anschließend auf Photonen übertragen. Um ihre Leistung zu testen, verwendeten die Forscher die Gitter als Spininjektoren für nitridbasierte LEDs und erreichten eine Rekord-Circularly-polarisierte Elektrolumineszenz von 22,5% bei Raumtemperatur und unter magnetischem Feld von null.

"Wir haben zum ersten Mal ein großflächiges Meron-Gitter durch den HMF-unterstützten MBE erstellt", sagte Wu. "Das von uns entwickelte MBE-System kann in situ magnetische Felder bis zu 9 Tesla erzeugen. Durch das Wachstum der Pd/Fe/MgO-Trischicht unter HMF wurde die DMI dramatisch verbessert."

The recent work by Wu and her colleagues introduces a viable approach to modulate electron spins in topological spin structures. The team successfully applied this approach to their meron lattice, but it could eventually also be applied to other topological structures.

'We analyzed the topology-induced force (Fmeron) and the trajectory of electronspassing through the meron lattice,' Wu said. 'The meron lattice was capable of manipulating the transport of spin electrons with a theoretical limit of 50% in spin polarization. We also demonstrated a chirality transfer from meron lattices to electrons and then to photons.'

This team of researchers was the first to effectively integrate a meron lattice inside a semiconductor-based device, improving the device's performance. The design principle outlined in their paper could soon be used to create other topological structures that are stable at ambient conditions, without requiring an external magnetic field.

'Our HMF-assisted MBE approach effectively regulates strong-coupling materials by manipulating the orbital interactions,' Wu said. 'In our next studies, we will try to extend the application of this approach to achieve the customized growth of other crystals and topological spin structures such as large-scale skyrmions and vortices.'

The T-LED prototype created by Wu and her colleagues can also transfer chirality from topologically protected quasiparticles to fermions with a mass and then to massless bosons. Their work could thus also new possibilities for the physical study of topological spin structures and for their real-world applications.

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