Millimetro

Funzionalità del 31 luglio 2023

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

I meroni, strutture topologiche basate su materiali magnetici magnetizzati nel piano, potrebbero avere numerose applicazioni preziose, in particolare per trasportare informazioni o immagazzinare carica magnetica. La maggior parte delle realizzazioni passate di queste strutture, tuttavia, erano limitate in termini di dimensioni e stabilità termica o presentavano requisiti poco pratici, come l’applicazione di campi magnetici esterni.

I 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 nei LED o altri dispositivi. Questi reticoli, introdotti in Nature Electronics, sono costituiti da tre strati: una sottile pellicola di ferro inserita tra una pellicola di palladio e una di ossido di magnesio.

"L'uso di strutture di spin topologiche è limitato dalla loro scala limitata, dalla stabilità termica o dai requisiti del campo magnetico", ha detto a Phys.org Yaping Wu, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "In questo lavoro, abbiamo sviluppato un approccio di crescita assistita da un campo magnetico elevato (HMF) per superare queste limitazioni, consentendo la costruzione di reticoli di meroni su scala millimetrica che sono stabili a temperatura ambiente e con un campo magnetico esterno pari a zero. Siamo quindi curioso come questi reticoli modulino il trasporto dello spin degli elettroni."

La loro analisi teorica ha rivelato la risposta: i reticoli dei meroni sono in grado di indurre una polarizzazione di spin nella corrente iniettata. Quando utilizzati per iniettare spin in un LED a base di nitruro, i reticoli di meroni creati da Wu e dai suoi colleghi hanno ottenuto risultati molto promettenti, consentendo un’elettroluminescenza a polarizzazione circolare ad alta velocità record. In particolare, ciò è stato ottenuto a temperatura ambiente, senza richiedere temperature particolarmente basse o l'uso di campi magnetici esterni.

"Questa ricerca si basa sull'idea e su precedenti sforzi di ricerca secondo cui l'utilizzo del campo magnetico di crescita per migliorare la cristallizzazione dei materiali", ha affermato Wu. "Nel frattempo, il nostro gruppo di ricerca è stato impegnato nella progettazione, nella crescita strutturale e nello sviluppo di dispositivi di semiconduttori ad ampio gap di banda. Pertanto, in questo lavoro è stato illuminato il concetto di combinare i reticoli di meroni su scala millimetrica costruiti con semiconduttori fotoelettronici."

Le quasiparticelle topologiche, come i meroni o gli skyrmioni, sono essenzialmente strutture di spin non complanari che sono topologicamente protette all'interno di materiali magnetici. Wu e i suoi colleghi si sono impegnati a progettare strutture di spin topologiche stabili a temperatura ambiente e in assenza di un campo magnetico applicato, cosa che finora si è rivelata molto impegnativa.

"La stabilità topologica si basa su forti interazioni orbitali; pertanto, l'HMF durante la cristallizzazione può migliorare e congelare gli accoppiamenti orbitali d, s e p, proprio come avevamo previsto attraverso i calcoli dei principi primi", ha spiegato Wu. "Di conseguenza, abbiamo progettato e costruito apparecchiature per un approccio MBE (epitassia a fascio molecolare) assistito da HMF per coltivare materiali ad accoppiamento forte."

Utilizzando l'approccio proposto, i ricercatori hanno creato una struttura a tre strati, ovvero uno strato di palladio, uno di ferro e uno di ossido di magnesio (Pd/Fe/MgO). Questa struttura che ha consentito le interazioni interfacciali Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), è stata posizionata su un wafer di nitruro di gallio (GaN).

"L'HMF è stato applicato durante la crescita del film Fe per rompere ulteriormente la simmetria di inversione spaziale e controllare l'allineamento orbitale per ottenere cristallizzazione e rotazione altamente ordinate. Di conseguenza, sono stati costruiti reticoli di meroni su scala più grande", ha detto Wu. "I reticoli di meroni su larga scala risultanti sono stabili a temperatura ambiente e sotto un campo magnetico pari a zero."