Milímetro

Recurso de 31 de julho de 2023

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Merons, estruturas topológicas baseadas em materiais magnéticos magnetizados no plano, poderiam ter inúmeras aplicações valiosas, particularmente para transportar informações ou armazenar carga magnética. A maioria das realizações anteriores destas estruturas, no entanto, eram limitadas em tamanho e estabilidade térmica ou tinham requisitos impraticáveis, tais como a aplicação de campos magnéticos externos.

Pesquisadores da Universidade de Xiamen e de vários outros institutos no Japão, China e Suécia projetaram recentemente redes meron em grande escala que poderiam ser usadas para injetar spins em LEDs ou outros dispositivos. Essas redes, introduzidas na Nature Electronics, são compostas por três camadas: uma fina película de ferro imprensada entre um paládio e uma película de óxido de magnésio.

“O uso de estruturas topológicas de spin é restrito por sua escala limitada, estabilidade térmica ou requisitos de campo magnético”, disse Yaping Wu, um dos pesquisadores que realizou o estudo, ao Phys.org. "Neste trabalho, desenvolvemos uma abordagem de crescimento assistido por campo magnético alto (HMF) para superar essas limitações, permitindo a construção de redes de meron em escala milimétrica que são estáveis ​​à temperatura ambiente e com campo magnético externo zero. Estamos então curioso como essas redes modulariam o transporte de spin de elétrons."

A sua análise teórica revelou a resposta: as redes meron são capazes de induzir uma polarização de spin na corrente injetada. Quando usadas para injetar spins em um LED à base de nitreto, as redes meron criadas por Wu e seus colegas alcançaram resultados muito promissores, permitindo uma eletroluminescência polarizada circularmente alta e recorde. Notavelmente, isto foi alcançado em condições de temperatura ambiente, sem exigir temperaturas particularmente baixas ou o uso de campos magnéticos externos.

"Esta pesquisa é baseada na ideia e nos esforços de pesquisa anteriores de usar o campo magnético de crescimento para melhorar a cristalização de materiais", disse Wu. "Enquanto isso, nosso grupo de pesquisa está comprometido com o projeto, o crescimento estrutural e o desenvolvimento de dispositivos de semicondutores de banda larga. Portanto, o conceito de combinar as redes meron construídas em escala milimétrica com semicondutores fotoeletrônicos foi iluminado neste trabalho."

Quasipartículas topológicas, como merons ou skyrmions, são essencialmente estruturas de spin não coplanares que são protegidas topologicamente dentro de materiais magnéticos. Wu e seus colegas começaram a projetar estruturas de spin topológicas que fossem estáveis ​​à temperatura ambiente e na ausência de um campo magnético aplicado, o que até agora se mostrou muito desafiador.

"A estabilidade topológica depende de fortes interações orbitais; assim, o HMF durante a cristalização pode melhorar e congelar os acoplamentos orbitais d, s e p, assim como previmos através dos cálculos dos primeiros princípios", explicou Wu. "Assim, projetamos e construímos equipamentos para uma abordagem de epitaxia de feixe molecular assistida por HMF (MBE) para cultivar materiais de acoplamento forte."

Usando a abordagem proposta, os pesquisadores criaram uma estrutura de três camadas, ou seja, uma camada de paládio, um ferro e uma camada de óxido de magnésio (Pd/Fe/MgO). Esta estrutura que permitiu interações interfaciais Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), foi colocada em um wafer de nitreto de gálio (GaN).

"O HMF foi aplicado durante o crescimento do filme de Fe para quebrar ainda mais a simetria de inversão espacial e controlar o alinhamento orbital para obter cristalização e rotação altamente ordenadas. Como resultado, redes meron em maior escala foram construídas", disse Wu. "As redes meron em grande escala resultantes são estáveis ​​à temperatura ambiente e sob campo magnético zero."