Redes de meron a escala de milímetros que pueden servir como inyectores de espín para LEDs.

31 de julio de 2023 característica

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Los merones, estructuras topológicas basadas en materiales magnéticos magnetizados en el plano, podrían tener numerosas aplicaciones valiosas, especialmente para transportar información o almacenar carga magnética. Sin embargo, la mayoría de las estructuras anteriores de este tipo estaban limitadas en tamaño y estabilidad térmica o tenían requisitos poco prácticos, como la aplicación de campos magnéticos externos. Investigadores de la Universidad de Xiamen y varios otros institutos en Japón, China y Suecia diseñaron recientemente retículos de merones a gran escala que podrían usarse para inyectar espines en LEDs u otros dispositivos. Estos retículos, presentados en Nature Electronics, están compuestos por tres capas: una película delgada de hierro intercalada entre una película de paladio y una película de óxido de magnesio.

"El uso de estructuras de espín topológico está limitado por su escala limitada, estabilidad térmica o requisitos de campo magnético", dijo Yaping Wu, uno de los investigadores que llevaron a cabo el estudio, a Phys.org. "En este trabajo, desarrollamos un enfoque de crecimiento asistido por campos magnéticos de alta intensidad para superar estas limitaciones, permitiendo la construcción de retículos de merones a escala de milímetros que son estables a temperatura ambiente y sin necesidad de un campo magnético externo. Ahora nos preguntamos cómo estos retículos modularían el transporte de espín de electrones".

Su análisis teórico reveló la respuesta: los retículos de merones son capaces de inducir una polarización de espín en la corriente inyectada. Cuando se utilizan para inyectar espines en un LED a base de nitruro, los retículos de merones creados por Wu y sus colegas lograron resultados muy prometedores, permitiendo una electroluminiscencia circularmente polarizada récord. Cabe destacar que esto se logró en condiciones ambientales y a temperatura ambiente, sin necesidad de temperaturas especialmente bajas o el uso de campos magnéticos externos.

"Esta investigación se basa en la idea y los esfuerzos de investigación anteriores que utilizan campos magnéticos de crecimiento para mejorar la cristalización de los materiales", dijo Wu. "Mientras tanto, nuestro grupo de investigación se ha comprometido con el diseño, el crecimiento estructural y el desarrollo de dispositivos de semiconductores de banda prohibida ancha. Por lo tanto, la idea de combinar los retículos de merones construidos a escala de milímetros con semiconductores fotoelectrónicos se iluminó en este trabajo".

Las cuasipartículas topológicas, como los merones o los skyrmiones, son estructuras de espín no coplanares que están protegidas topológicamente dentro de los materiales magnéticos. Wu y sus colegas se propusieron diseñar estructuras de espín topológicas que sean estables a temperatura ambiente y en ausencia de un campo magnético aplicado, lo cual hasta ahora resultaba muy desafiante.

"La estabilidad topológica se basa en fuertes interacciones orbitales; por lo tanto, un campo magnético de alta intensidad durante la cristalización puede mejorar y congelar los acoplamientos orbitales d-, s- y p-, tal como predijimos mediante cálculos de primeros principios", explicó Wu. "En consecuencia, diseñamos y construimos un equipo para un enfoque de epitaxia por haces moleculares (MBE) asistido por campos magnéticos de alta intensidad para cultivar materiales de acoplamiento sólido".

Utilizando su enfoque propuesto, los investigadores crearon una estructura de tres capas, a saber, una capa de paladio, una capa de hierro y una capa de óxido de magnesio (Pd/Fe/MgO). Esta estructura, que permitió interacciones Dzyaloshinskii-Moriya interfaciales (DMI), se colocó en una oblea de nitruro de galio (GaN).

"Se aplicó el campo magnético de alta intensidad durante el crecimiento de la película de hierro para romper aún más la simetría de inversión espacial y controlar la alineación orbital para lograr una cristalización y espín altamente ordenados. Como resultado, se construyeron retículos de merones a gran escala", dijo Wu. "Los retículos de merones a gran escala resultantes son estables a temperatura ambiente y sin campo magnético".

Los retículos de merones a gran escala creados por Wu y sus colegas pueden usarse para transferir la quiralidad de los merones a los electrones, y posteriormente a los fotones. Para probar su rendimiento, los investigadores utilizaron los retículos como inyectores de espín para LED a base de nitruro, logrando una electroluminiscencia circularmente polarizada récord del 22.5% a temperatura ambiente y sin campo magnético.

"Hemos logrado construir un retículo de merones a gran escala por medio de la epitaxia por haces moleculares asistida por campos magnéticos de alta intensidad", dijo Wu. "El sistema MBE que desarrollamos puede proporcionar campos magnéticos in situ de hasta 9 T. Al cultivar la tricapa de Pd/Fe/MgO bajo el campo magnético de alta intensidad, el DMI se mejoró drásticamente".

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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