Millimetergroße Merongitter, die als Spininjektoren für LEDs dienen können

Merone, topologische Strukturen, die auf in der Ebene magnetisierten magnetischen Materialien basieren, könnten zahlreiche wertvolle Anwendungen haben, insbesondere zum Transport von Informationen oder zur Speicherung magnetischer Ladung. Die meisten früheren Realisierungen dieser Strukturen waren jedoch in ihrer Größe und thermischen Stabilität begrenzt oder hatten unpraktische Anforderungen, wie etwa die Anwendung externer Magnetfelder.

Forscher der Universität Xiamen und verschiedener anderer Institute in Japan, China und Schweden haben kürzlich großformatige Merongitter entworfen, die zur Injektion von Spins in LEDs oder andere Geräte verwendet werden könnten. Diese Gitter, eingeführt in Naturelektronikbestehen aus drei Schichten: einem dünnen Eisenfilm, der zwischen einem Palladium- und einem Magnesiumoxidfilm liegt.

„Die Verwendung topologischer Spinstrukturen wird durch ihre begrenzte Größe, thermische Stabilität oder Magnetfeldanforderungen eingeschränkt“, sagte Yaping Wu, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. „In dieser Arbeit haben wir einen durch ein Hochmagnetfeld (HMF) unterstützten Wachstumsansatz entwickelt, um diese Einschränkungen zu überwinden und den Aufbau millimetergroßer Merongitter zu ermöglichen, die bei Raumtemperatur und einem externen Magnetfeld von Null stabil sind. Wir sind dann dabei.“ Ich bin neugierig, wie diese Gitter den Elektronenspintransport modulieren würden.

Ihre theoretische Analyse ergab die Antwort: Die Merongitter sind in der Lage, im eingespeisten Strom eine Spinpolarisation zu induzieren. Bei der Injektion von Spins in eine LED auf Nitridbasis erzielten die von Wu und ihren Kollegen geschaffenen Merongitter vielversprechende Ergebnisse und ermöglichten eine rekordverdächtige zirkular polarisierte Elektrolumineszenz. Dies wurde insbesondere bei Umgebungs- und Raumtemperaturbedingungen erreicht, ohne dass besonders niedrige Temperaturen oder der Einsatz externer Magnetfelder erforderlich waren.

„Diese Forschung basiert auf der Idee und früheren Forschungsbemühungen, Wachstumsmagnetfelder zu nutzen, um die Kristallisation von Materialien zu verbessern“, sagte Wu. „Mittlerweile widmet sich unsere Forschungsgruppe dem Design, dem strukturellen Wachstum und der Geräteentwicklung von Halbleitern mit großer Bandlücke. Daher wurde in dieser Arbeit das Konzept der Kombination der konstruierten Merongitter im Millimeterbereich mit photoelektronischen Halbleitern beleuchtet.“

Topologische Quasiteilchen wie Merone oder Skyrmionen sind im Wesentlichen nichtkoplanare Spinstrukturen, die im Inneren magnetischer Materialien topologisch geschützt sind. Wu und ihre Kollegen wollten topologische Spinstrukturen entwerfen, die bei Raumtemperatur und ohne angelegtes Magnetfeld stabil sind, was sich bisher als sehr schwierig erwies.

„Die topologische Stabilität beruht auf starken Orbitalwechselwirkungen. Daher kann HMF während der Kristallisation d-, s- und p-Orbitalkopplungen verstärken und einfrieren, genau wie wir es durch die Berechnungen nach dem ersten Prinzip vorhergesagt haben“, erklärte Wu. „Dementsprechend haben wir Geräte für einen HMF-unterstützten Molekularstrahlepitaxie-Ansatz (MBE) entworfen und gebaut, um stark koppelnde Materialien zu züchten.“

Mit ihrem vorgeschlagenen Ansatz schufen die Forscher eine Dreischichtstruktur, nämlich eine Palladium-, eine Eisen- und eine Magnesiumoxidschicht (Pd/Fe/MgO). Diese Struktur, die Grenzflächen-Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkungen (DMI) ermöglichte, wurde auf einem Galliumnitrid-Wafer (GaN) platziert.

„Das HMF wurde während des Wachstums des Fe-Films angewendet, um die räumliche Inversionssymmetrie weiter zu durchbrechen und die Orbitalausrichtung zu steuern, um eine hochgeordnete Kristallisation und Spin zu erreichen. Als Ergebnis wurden Merongitter in größerem Maßstab konstruiert“, sagte Wu. „Die resultierenden großräumigen Merongitter sind bei Raumtemperatur und unter einem Magnetfeld von Null stabil.“

Die von Wu und ihren Kollegen geschaffenen großräumigen Merongitter können verwendet werden, um Chiralität von Meronen auf Elektronen und anschließend auf Photonen zu übertragen. Um ihre Leistung zu testen, verwendeten die Forscher die Gitter als Spininjektoren für LEDs auf Nitridbasis und erreichten eine hohe zirkular polarisierte Elektrolumineszenz von 22,5 % bei Raumtemperatur und unter einem Magnetfeld von Null.

„Wir haben festgestellt, dass ein großes Merongitter das erste ist, das mit der HMF-unterstützten MBE konstruiert wurde“, sagte Wu. „Das von uns entwickelte MBE-System kann in situ Magnetfelder von bis zu 9 T liefern. Durch das Wachstum der Pd/Fe/MgO-Dreischicht unter HMF wurde der DMI dramatisch verbessert.“

Die jüngste Arbeit von Wu und ihren Kollegen stellt einen praktikablen Ansatz zur Modulation von Elektronenspins in topologischen Spinstrukturen vor. Das Team wandte diesen Ansatz erfolgreich auf sein Merongitter an, könnte aber schließlich auch auf andere topologische Strukturen angewendet werden.

„Wir haben die topologieinduzierte Kraft (Fmeron) und die Flugbahn der Elektronen, die das Merongitter passieren, analysiert“, sagte Wu. „Das Merongitter war in der Lage, den Transport von Spinelektronen mit einer theoretischen Grenze von 50 % der Spinpolarisation zu manipulieren. Wir haben auch einen Chiralitätstransfer von Merongittern auf Elektronen und dann auf Photonen nachgewiesen.“

Dieses Forscherteam war das erste, das ein Merongitter effektiv in ein halbleiterbasiertes Gerät integrierte und so die Leistung des Geräts verbesserte. Das in ihrer Arbeit dargelegte Konstruktionsprinzip könnte bald verwendet werden, um andere topologische Strukturen zu schaffen, die bei Umgebungsbedingungen stabil sind, ohne dass ein externes Magnetfeld erforderlich ist.

„Unser HMF-unterstützter MBE-Ansatz reguliert effektiv stark koppelnde Materialien durch Manipulation der Orbitalwechselwirkungen“, sagte Wu. „In unseren nächsten Studien werden wir versuchen, die Anwendung dieses Ansatzes zu erweitern, um das maßgeschneiderte Wachstum anderer Kristalle und topologischer Spinstrukturen wie großräumiger Skyrmionen und Wirbel zu erreichen.“

Der von Wu und ihren Kollegen entwickelte T-LED-Prototyp kann Chiralität auch von topologisch geschützten Quasiteilchen auf Fermionen mit einer Masse und dann auf masselose Bosonen übertragen. Ihre Arbeit könnte somit auch neue Möglichkeiten für die physikalische Untersuchung topologischer Spinstrukturen und für deren reale Anwendungen eröffnen.

„Ein nächster Schritt unserer Forschung wird auch die Entwicklung von T-LEDs mit höherer Lichtpolarisation und unterschiedlichen Wellenlängen sein, um Anwendungen in weiteren Bereichen wie Bioimaging, dreidimensionalen Displays und Quantenkommunikation zu ermöglichen“, fügte Wu hinzu.

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