Milímetro

Característica del 31 de julio de 2023

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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, particularmente para transportar información o almacenar carga magnética. Sin embargo, la mayoría de las realizaciones anteriores de estas estructuras tenían un tamaño y una estabilidad térmica limitados o tenían requisitos poco prácticos, como la aplicación de campos magnéticos externos.

Investigadores de la Universidad de Xiamen y de varios otros institutos de Japón, China y Suecia diseñaron recientemente redes de merón a gran escala que podrían usarse para inyectar espines en LED u otros dispositivos. Estas redes, presentadas en Nature Electronics, se componen de tres capas: una fina película de hierro intercalada entre una película de paladio y una de óxido de magnesio.

"El uso de estructuras de espín topológico está restringido por su escala limitada, estabilidad térmica o requisitos de campo magnético", dijo a Phys.org Yaping Wu, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "En este trabajo, desarrollamos un enfoque de crecimiento asistido por un alto campo magnético (HMF) para superar estas limitaciones, permitiendo la construcción de redes de merón a escala milimétrica que son estables a temperatura ambiente y con un campo magnético externo nulo. Es curioso cómo estas redes modularían el transporte de espín de electrones".

Su análisis teórico reveló la respuesta: las redes de merón son capaces de inducir una polarización de espín en la corriente inyectada. Cuando se utilizaron para inyectar espines en un LED a base de nitruro, las redes de merón creadas por Wu y sus colegas lograron resultados muy prometedores, permitiendo una electroluminiscencia polarizada circularmente récord. En particular, esto se logró en condiciones de temperatura ambiente, sin requerir temperaturas particularmente bajas ni el uso de campos magnéticos externos.

"Esta investigación se basa en la idea y en esfuerzos de investigación anteriores de que el uso de campos magnéticos de crecimiento puede mejorar la cristalización de materiales", dijo Wu. "Mientras tanto, nuestro grupo de investigación ha estado comprometido con el diseño, el crecimiento estructural y el desarrollo de dispositivos de semiconductores de banda ancha. Por lo tanto, en este trabajo se destacó el concepto de combinar las redes de merón construidas a escala milimétrica con semiconductores fotoelectrónicos".

Las cuasipartículas topológicas, como merones o skyrmions, son esencialmente estructuras de espín no coplanares que están topológicamente protegidas dentro de materiales magnéticos. Wu y sus colegas se propusieron diseñar estructuras de espín topológico que sean estables a temperatura ambiente y en ausencia de un campo magnético aplicado, lo que hasta ahora resultó ser un gran desafío.

"La estabilidad topológica se basa en fuertes interacciones orbitales; por lo tanto, el HMF durante la cristalización puede mejorar y congelar los acoplamientos de los orbitales d, s y p, tal como lo predijimos mediante los cálculos de los primeros principios", explicó Wu. "En consecuencia, diseñamos y construimos equipos para un enfoque de epitaxia de haz molecular (MBE) asistida por HMF para cultivar materiales de fuerte acoplamiento".

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

"El HMF se aplicó durante el crecimiento de la película de Fe para romper aún más la simetría de inversión espacial y controlar la alineación orbital para lograr una cristalización y un giro altamente ordenados. Como resultado, se construyeron redes de merón a mayor escala", dijo Wu. "Las redes de merón a gran escala resultantes son estables a temperatura ambiente y bajo un campo magnético nulo".

Las redes de merones a gran escala creadas por Wu y sus colegas se pueden utilizar para transferir quiralidad de merones a electrones y, posteriormente, a fotones. Para probar su rendimiento, los investigadores utilizaron las celosías como inyectores de espín para LED a base de nitruro, logrando una alta electroluminiscencia polarizada circularmente del 22,5% a temperatura ambiente y bajo un campo magnético de cero.

"Nos dimos cuenta de que una celosía de merón a gran escala es la primera construida por el MBE asistido por HMF", dijo Wu. "El sistema MBE que desarrollamos puede proporcionar campos magnéticos in situ de hasta 9 T. Al hacer crecer la tricapa de Pd/Fe/MgO bajo HMF, el DMI mejoró dramáticamente".

El trabajo reciente de Wu y sus colegas presenta un enfoque viable para modular los espines de los electrones en estructuras de espín topológico. El equipo aplicó con éxito este enfoque a su red de merón, pero eventualmente también podría aplicarse a otras estructuras topológicas.

"Analizamos la fuerza inducida por la topología (Fmeron) y la trayectoria de los electrones que pasan a través de la red de merón", dijo Wu. "La red de merón era capaz de manipular el transporte de electrones de espín con un límite teórico del 50% en la polarización del espín. También demostramos una transferencia quiral de las redes de merón a los electrones y luego a los fotones".

Este equipo de investigadores fue el primero en integrar eficazmente una red de merón dentro de un dispositivo basado en semiconductores, mejorando el rendimiento del dispositivo. El principio de diseño descrito en su artículo pronto podría utilizarse para crear otras estructuras topológicas que sean estables en condiciones ambientales, sin requerir un campo magnético externo.

"Nuestro enfoque MBE asistido por HMF regula eficazmente los materiales de fuerte acoplamiento mediante la manipulación de las interacciones orbitales", dijo Wu. "En nuestros próximos estudios, intentaremos ampliar la aplicación de este enfoque para lograr el crecimiento personalizado de otros cristales y estructuras de espín topológico, como skyrmions y vórtices a gran escala".

El prototipo T-LED creado por Wu y sus colegas también puede transferir quiralidad de cuasipartículas topológicamente protegidas a fermiones con masa y luego a bosones sin masa. Por lo tanto, su trabajo también podría generar nuevas posibilidades para el estudio físico de estructuras de espín topológico y para sus aplicaciones en el mundo real.

"Un próximo paso de nuestra investigación también será desarrollar T-LED con mayor polarización de la luz y diferentes longitudes de onda para permitir aplicaciones en más áreas como bioimagen, pantallas tridimensionales y comunicación cuántica", añadió Wu.

Más información: Xuefeng Wu et al, Emisión de fotones quirales inducida por topología desde una red de merón a gran escala, Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-00990-4

Aplicaciones de semiconductores de redes de merón a gran escala, Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-00998-w

Información de la revista:Electrónica de la naturaleza

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