Réseaux de mérondes à l'échelle du millimètre qui peuvent servir de injecteurs de spin pour les LED.

31 juillet 2023 caractéristique

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Les merons, des structures topologiques basées sur des matériaux magnétiques magnétisés dans le plan, pourraient avoir de nombreuses applications précieuses, en particulier pour le transport d'informations ou le stockage de charges magnétiques. Cependant, la plupart des réalisations passées de ces structures étaient limitées en taille et en stabilité thermique, ou requéraient des conditions impraticables, comme l'application de champs magnétiques externes.

Des chercheurs de l'université de Xiamen et de divers autres instituts au Japon, en Chine et en Suède ont récemment conçu des réseaux de mérons à grande échelle qui pourraient être utilisés pour injecter des spins dans des LED ou d'autres dispositifs. Ces réseaux, présentés dans Nature Electronics, sont composés de trois couches : un film mince de fer pris en sandwich entre un film de palladium et un film d'oxyde de magnésium.

'L'utilisation de structures spin-topologiques est limitée par leur échelle limitée, leur stabilité thermique ou les exigences de champ magnétique', a déclaré Yaping Wu, l'un des chercheurs ayant mené l'étude, à Phys.org. 'Dans ce travail, nous avons développé une approche de croissance assistée par un champ magnétique élevé pour surmonter ces limitations, permettant la construction de réseaux de mérons à grande échelle de l'ordre du millimètre, qui sont stables à température ambiante et sans champ magnétique externe. Nous sommes donc curieux de savoir comment ces réseaux modulent le transport des spins des électrons.'

Leur analyse théorique a révélé la réponse - les réseaux de mérons sont capables d'induire une polarisation de spin dans le courant injecté. Lorsqu'ils ont été utilisés pour injecter des spins dans une LED à base de nitrure, les réseaux de mérons créés par Wu et ses collègues ont obtenu des résultats prometteurs, permettant une électroluminescence circulairement polarisée record. Notamment, cela a été obtenu à des conditions ambiantes, à température ambiante, sans nécessité de températures particulièrement basses ou de l'utilisation de champs magnétiques externes.

'Cette recherche est basée sur l'idée et les efforts de recherche précédents consistant à utiliser un champ magnétique de croissance pour améliorer la cristallisation des matériaux', a déclaré Wu. 'Parallèlement, notre groupe de recherche s'est engagé dans la conception, la croissance structurale et le développement de dispositifs de semi-conducteurs à large bande interdite. Par conséquent, le concept de combiner les réseaux de mérons construits à grande échelle avec des semi-conducteurs photoélectroniques a été mis en lumière dans ce travail.'

Les quasi-particules topologiques, telles que les mérons ou les skyrmions, sont essentiellement des structures de spin non-coplanaires qui sont topologiquement protégées à l'intérieur de matériaux magnétiques. Wu et ses collègues ont cherché à concevoir des structures de spins topologiques stables à température ambiante et en l'absence d'un champ magnétique appliqué, ce qui s'est avéré très difficile jusqu'à présent.

'La stabilité topologique repose sur de fortes interactions orbitales ; ainsi, un HMF pendant la cristallisation peut renforcer et figer les couplages orbitaux d-, s- et p-, tout comme nous l'avions prédit grâce aux calculs de premiers principes', a expliqué Wu. 'En conséquence, nous avons conçu et construit un équipement pour une approche de croissance assistée par une épitaxie en jet moléculaire avec un HMF pour faire pousser des matériaux à couplage fort.'

En utilisant leur approche proposée, les chercheurs ont créé une structure tricouche, à savoir une couche de palladium, une couche de fer et une couche d'oxyde de magnésium (Pd/Fe/MgO). Cette structure, qui permettait des interactions Dzyaloshinskii-Moriya interfaciales (DMI), a été placée sur une plaquette de nitrure de gallium (GaN).

'Le HMF a été appliqué pendant la croissance du film de Fe pour rompre davantage la symétrie d'inversion spatiale et contrôler l'alignement orbital afin d'obtenir une cristallisation et un spin hautement ordonnés. En conséquence, des réseaux de mérons à grande échelle ont été construits', a déclaré Wu. 'Les réseaux de mérons à grande échelle résultants sont stables à température ambiante et en l'absence de champ magnétique.'

Les réseaux de mérons à grande échelle créés par Wu et ses collègues peuvent être utilisés pour transférer la chiralité des mérons aux électrons, puis aux photons. Pour tester leurs performances, les chercheurs ont utilisé les réseaux comme injecteurs de spin pour des LED à base de nitrure, atteignant une électroluminescence circulairement polarisée record de 22,5 % à température ambiante et en l'absence de champ magnétique.

'Nous avons réalisé un réseau de mérons à grande échelle, le premier construit par l'épitaxie en jet moléculaire assistée par HMF', a déclaré Wu. 'Le système MBE que nous avons développé permet d'appliquer des champs magnétiques in situ jusqu'à 9 T. En faisant pousser la tricouche Pd/Fe/MgO sous HMF, le DMI a été considérablement amélioré.'

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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