밀리미터

2023년 7월 31일 특집

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잉그리드 파델리(Ingrid Fadelli), Phys.org

면내 자화 자기 물질을 기반으로 하는 위상학적 구조인 메론은 특히 정보를 운반하거나 자기 전하를 저장하는 데 많은 유용한 응용 분야를 가질 수 있습니다. 그러나 과거에 이러한 구조를 구현한 대부분의 경우 크기와 열 안정성이 제한되었거나 외부 자기장 적용과 같은 비실용적 요구 사항이 있었습니다.

샤먼 대학과 일본, 중국, 스웨덴의 여러 다른 연구소의 연구원들은 최근 LED나 기타 장치에 스핀을 주입하는 데 사용할 수 있는 대규모 메론 격자를 설계했습니다. Nature Electronics에 소개된 이 격자는 팔라듐과 산화마그네슘 필름 사이에 끼워진 얇은 철 필름의 세 가지 층으로 구성됩니다.

"토폴로지 스핀 구조의 사용은 제한된 규모, 열 안정성 또는 자기장 요구 사항으로 인해 제한됩니다"라고 연구를 수행한 연구원 중 한 명인 Yaping Wu는 Phys.org에 말했습니다. "이 연구에서 우리는 이러한 한계를 극복하기 위해 고자기장(HMF) 보조 성장 접근법을 개발하여 실온 및 외부 자기장이 0에서 안정적인 밀리미터 규모의 메론 격자를 구축할 수 있었습니다. 이 격자가 전자 스핀 수송을 어떻게 조절하는지 궁금합니다."

그들의 이론적 분석을 통해 답이 밝혀졌습니다. 메론 격자는 주입된 전류에서 스핀 분극을 유도할 수 있다는 것입니다. 질화물 기반 LED에 스핀을 주입하는 데 사용했을 때 Wu와 그녀의 동료가 만든 메론 격자는 매우 유망한 결과를 달성하여 기록적인 높은 원형 편광 전자발광을 가능하게 했습니다. 특히 이는 특히 낮은 온도나 외부 자기장을 사용하지 않고 주변 온도 조건에서 달성되었습니다.

"이 연구는 성장 자기장을 사용하여 재료의 결정화를 향상시키는 아이디어와 이전 연구 노력을 기반으로 합니다"라고 Wu는 말했습니다. "한편, 우리 연구 그룹은 넓은 밴드갭 반도체의 설계, 구조적 성장 및 장치 개발에 전념해 왔습니다. 따라서 구성된 밀리미터 규모의 메론 격자와 광전자 반도체를 결합하는 개념이 이번 연구에서 조명되었습니다."

메론이나 스커미온과 같은 위상학적 준입자는 본질적으로 자성 물질 내부에서 위상적으로 보호되는 비동일면 스핀 구조입니다. Wu와 그녀의 동료들은 실온에서 자기장이 가해지지 않은 상태에서도 안정적인 토폴로지 스핀 구조를 설계하기 시작했는데, 이는 지금까지 매우 어려운 일이었습니다.

"위상학적 안정성은 강한 궤도 상호작용에 의존합니다. 따라서 결정화 중 HMF는 첫 번째 원리 계산을 통해 예측한 것처럼 d-, s- 및 p-궤도 결합을 향상시키고 동결시킬 수 있습니다."라고 Wu는 설명했습니다. "따라서 우리는 강력한 결합 물질을 성장시키기 위해 HMF 보조 분자선 에피택시(MBE) 접근 방식을 위한 장비를 설계하고 제작했습니다."

연구진은 제안된 접근 방식을 사용하여 팔라듐, 철, 산화 마그네슘 층(Pd/Fe/MgO)이라는 삼중층 구조를 만들었습니다. 계면 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)을 가능하게 하는 이 구조는 갈륨 질화물(GaN) 웨이퍼 위에 배치되었습니다.

Wu는 “Fe 필름이 성장하는 동안 공간적 반전 대칭성을 더욱 파괴하고 궤도 정렬을 제어하여 고도로 정렬된 결정화와 스핀을 달성하기 위해 HMF를 적용했습니다. 그 결과 더 큰 규모의 메론 격자가 구축되었습니다”라고 Wu는 말했습니다. "결과로 나온 대규모 메론 격자는 실온과 제로 자기장 하에서 안정적입니다."