Reti meron su scala millimetrica che possono fungere da iniettori di spin per LED.

31 luglio 2023 funzionalità

Questo articolo è stato revisionato secondo il processo editoriale e le politiche di Science X. I redattori hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo la credibilità dei contenuti:

• verifica dei fatti
• pubblicazione sottoposta a revisione paritaria
• fonte affidabile
• correzione di bozze

a cura di Ingrid Fadelli, Phys.org

I meroni, strutture topologiche basate su materiali magnetici magnetizzati in piano, potrebbero avere numerose applicazioni di valore, in particolare per il trasporto di informazioni o la memorizzazione di carica magnetica. La maggior parte delle realizzazioni passate di queste strutture, tuttavia, erano limitate per quanto riguarda dimensioni e stabilità termica o avevano requisiti impraticabili, come l'applicazione di campi magnetici esterni.

Ricercatori dell'Università di Xiamen e di vari altri istituti in Giappone, Cina e Svezia hanno recentemente progettato reticoli di meroni su larga scala che potrebbero essere utilizzati per iniettare spin in LED o altri dispositivi. Questi reticoli, presentati in Nature Electronics, sono composti da tre strati: un sottile film di ferro intercalato tra un film di palladio e uno di ossido di magnesio.

"L'uso delle strutture di spin topologiche è limitato dalle loro dimensioni ridotte, dalla stabilità termica o dai requisiti di campo magnetico", ha spiegato Yaping Wu, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, a Phys.org. "In questo lavoro, abbiamo sviluppato un approccio basato su un campo magnetico ad alta intensità (HMF) per superare questi limiti, consentendo la costruzione di reticoli di meroni su scala millimetrica stabili a temperatura ambiente e senza campo magnetico esterno. Siamo quindi curiosi di capire come questi reticoli modulano il trasporto degli spin degli elettroni."

La loro analisi teorica ha rivelato la risposta: i reticoli di meroni sono in grado di indurre una polarizzazione di spin nella corrente iniettata. Quando utilizzati per iniettare spin in un LED a base di nitruri, i reticoli di meroni creati da Wu e dai suoi colleghi hanno ottenuto risultati molto promettenti, consentendo un'elettroluminescenza circolarmente polarizzata ad altissima intensità. È importante sottolineare che ciò è stato ottenuto a condizioni di temperatura ambiente, senza richiedere temperature particolarmente basse o l'uso di campi magnetici esterni.

"Questa ricerca si basa sull'idea e sugli sforzi di ricerca precedenti che utilizzano un campo magnetico di crescita per migliorare la cristallizzazione dei materiali", ha detto Wu. "Nel frattempo, il nostro gruppo di ricerca si è impegnato nella progettazione, nella crescita strutturale e nello sviluppo di dispositivi a semiconduttori a bandgap ampio. Pertanto, il concetto di combinare i reticoli di meroni costruiti su scala millimetrica con i semiconduttori fotoelettronici è stato illuminato in questo lavoro."

Quasiparticelle topologiche, come meroni o skyrmions, sono essenzialmente strutture di spin non coplanari che sono topologicamente protette all'interno dei materiali magnetici. Wu e i suoi colleghi si sono impegnati nella progettazione di strutture di spin topologiche stabili a temperatura ambiente e in assenza di un campo magnetico applicato, il che finora si è rivelato molto sfidante.

"La stabilità topologica si basa su forti interazioni orbitali; quindi, un HMF durante la cristallizzazione può potenziare e immobilizzare i collegamenti orbitali d, s e p, proprio come abbiamo previsto attraverso i calcoli di primi principi", ha spiegato Wu. "Di conseguenza, abbiamo progettato e costruito attrezzature per un approccio di epitassia a fascio molecolare (MBE) assistito da HMF per la crescita di materiali ad accoppiamento forte."

Utilizzando il loro approccio proposto, i ricercatori hanno creato una struttura tristrato, ovvero un sottile strato di palladio, un sottile strato di ferro e uno strato di ossido di magnesio (Pd/Fe/MgO). Questa struttura, che ha permesso interazioni Dzyaloshinskii-Moriya interfaciali (DMI), è stata posizionata su una lastra di nitruro di gallio (GaN).

"L'HMF è stato applicato durante la crescita del film di Fe per rompere ulteriormente la simmetria di inversione spaziale e controllare l'allineamento orbitale per ottenere una cristallizzazione e un'orientazione degli spin altamente ordinata. Di conseguenza, sono stati costruiti reticoli di meroni su scala più ampia", ha detto Wu. "I reticoli di meroni su scala più ampia risultanti sono stabili a temperatura ambiente e in assenza di campo magnetico."

I reticoli di meroni su larga scala creati da Wu e dai suoi colleghi possono essere utilizzati per trasferire la chiralità dai meroni agli elettroni, e successivamente ai fotoni. Per testarne le prestazioni, i ricercatori hanno utilizzato i reticoli come iniettori di spin per LED a base di nitruri, ottenendo un'elettroluminescenza circolarmente polarizzata del 22,5% a temperatura ambiente e in assenza di campo magnetico.

"Abbiamo realizzato un reticolo di meroni su larga scala, il primo costruito mediante MBE assistita da HMF", ha detto Wu. "Il sistema MBE che abbiamo sviluppato può fornire campi magnetici in situ fino a 9 T. Attraverso la crescita del tristrato Pd/Fe/MgO sotto HMF, l'interazione DMI è stata drasticamente potenziata."

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.

© 2023 Science X Network