ミリメートル

2023 年 7 月 31 日の特集

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イングリッド・ファデリ著、Phys.org

メロンは、面内磁化された磁性材料に基づくトポロジカル構造であり、特に情報の伝達や磁荷の保存など、数多くの貴重な用途を持つ可能性があります。 しかし、これらの構造の過去の実現例のほとんどは、サイズと熱安定性が制限されていたり、外部磁場の適用などの非現実的な要件があった。

アモイ大学および日本、中国、スウェーデンのさまざまな研究機関の研究者らは最近、LED やその他のデバイスにスピンを注入するために使用できる大規模なメロン格子を設計しました。 Nature Electronics で紹介されたこれらの格子は、パラジウムと酸化マグネシウムの膜の間に挟まれた薄い鉄の膜の 3 つの層で構成されています。

「トポロジカルスピン構造の使用は、その限られたスケール、熱安定性、または磁場の要件によって制限されます」と、この研究を実施した研究者の一人であるYaping Wu氏はPhys.orgに語った。 「この研究では、これらの制限を克服するために高磁場 (HMF) 支援成長アプローチを開発し、室温およびゼロ外部磁場で安定なミリメートルスケールのメロン格子の構築を可能にしました。これらの格子が電子スピン輸送をどのように調節するのか興味があります。」

彼らの理論的分析により、メロン格子が注入された電流にスピン偏極を引き起こすことができるという答えが明らかになりました。 ウー氏らによって作成されたメロン格子は、窒化物ベースの LED にスピンを注入するために使用された場合、非常に有望な結果を達成し、記録的な高い円偏光エレクトロルミネッセンスを可能にしました。 注目すべきは、これは、特に低い温度や外部磁場の使用を必要とせず、周囲の室温条件で達成されたことである。

「この研究は、成長磁場を使用して材料の結晶化を改善するという考えとこれまでの研究成果に基づいています」とWu氏は述べた。 「一方、私たちの研究グループは、ワイドバンドギャップ半導体の設計、構造成長、デバイス開発に取り組んできました。したがって、構築されたミリメートルスケールのメロン格子と光電子半導体を組み合わせるという概念が、この研究で浮かび上がりました。」

メロンやスキルミオンなどのトポロジカル準粒子は、本質的に非共面スピン構造であり、磁性材料内でトポロジカルに保護されています。 ウー氏らは、室温で磁場が印加されていない状態でも安定なトポロジカルスピン構造の設計に着手したが、これはこれまでのところ非常に困難であることが判明している。

「トポロジカルの安定性は強い軌道相互作用に依存しているため、第一原理計算で予測したとおり、結晶化中のHMFはd軌道、s軌道、p軌道の結合を強化したり凍結したりする可能性がある」とWu氏は説明した。 「したがって、私たちは、強結合材料を成長させるためのHMF支援分子線エピタキシー（MBE）アプローチのための装置を設計および構築しました。」

研究者らは、提案されたアプローチを使用して、三層構造、すなわちパラジウム、鉄、酸化マグネシウム層 (Pd/Fe/MgO) を作成しました。 界面ジャロシンスキー - モリヤ相互作用 (DMI) を可能にするこの構造は、窒化ガリウム (GaN) ウェーハ上に配置されました。

「HMFはFe膜の成長中に適用され、空間反転対称性をさらに破り、軌道配列を制御して高度に秩序だった結晶化とスピンを達成した。その結果、より大規模なメロン格子が構築された」とWu氏は述べた。 「得られた大規模メロン格子は、室温およびゼロ磁場下で安定です。」