可用作LED自旋注入器的毫米级梅隆晶格

Merons是基于面内磁化磁性材料的拓扑结构，可能具有许多有价值的应用，特别是在携带信息或存储磁电荷方面。然而，这些结构过去的大多数实现都在尺寸和热稳定性方面受到限制，或者具有不切实际的要求，例如外部磁场的应用。

厦门大学以及日本、中国和瑞典其他研究所的研究人员最近设计了大型梅隆晶格，可用于在LED或其他设备中注入自旋。这些格子，引入《自然电子学》由三层组成：夹在钯和氧化镁膜之间的薄铁膜。

“拓扑自旋结构的使用受到其有限规模的限制，进行这项研究的研究人员之一吴亚平告诉Phys.org：热稳定性或磁场要求的限制。”“在这项工作中，我们开发了一种高磁场(HMF)辅助生长方法来克服这些限制，从而能够构建在室温和零外部磁场下稳定的毫米级梅子晶格。然后我们很好奇这些晶格将如何调节电子自旋传输。”

他们的理论分析揭示了答案——半子晶格能够在注入电流中引发自旋极化。当用于在基于氮化物的LED中注入自旋时，Wu和她的同事创建的meron晶格取得了非常有希望的结果，实现了创纪录的高圆偏振电致发光。值得注意的是，这是在环境室温条件下实现的，不需要特别低的温度或使用外部磁场。

“这项研究是基于利用生长磁场来改善材料结晶的想法和先前的研究成果，”吴说。“同时，我们的研究小组一直致力于宽带隙半导体的设计、结构生长和器件开发。因此，在这项工作中提出了将构建的毫米级Meron晶格与光电子半导体相结合的概念。”

拓扑准粒子，例如米子或斯格明子，本质上是非共面的自旋结构，在磁性材料内部受到拓扑保护。吴和她的同事开始设计在室温下和没有外加磁场的情况下稳定的拓扑自旋结构，到目前为止，这被证明是非常具有挑战性的。

“拓扑稳定性依赖于强轨道相互作用;因此，结晶过程中的HMF可以增强和冻结d、s和p轨道耦合，正如我们通过第一性原理计算所预测的那样，”Wu解释道。“因此，我们设计并制造了用于HMF辅助分子束外延(MBE)方法的设备，以生长强耦合材料。”

利用他们提出的方法，研究人员创建了一个三层结构，即钯、铁和氧化镁层(Pd/Fe/MgO)。这种能够实现Dzyaloshinskii-Moriya界面相互作用(DMI)的结构被放置在氮化镓(GaN)晶圆上。

“在Fe薄膜的生长过程中应用HMF，以进一步打破空间反演对称性并控制轨道排列，以实现高度有序的结晶和自旋。从而构建了更大规模的Meron晶格，”吴说。“由此产生的大规模Meron晶格在室温和零磁场下是稳定的。”

吴和她的同事创建的大规模梅子晶格可用于将手性从梅子转移到电子，然后转移到光子。为了测试其性能，研究人员使用这些晶格作为氮化物基LED的自旋注入器，在室温和零磁场下实现了22.5%的记录高圆偏振电致发光。

“我们意识到大规模的梅隆晶格是第一个由HMF辅助MBE构建的，”吴说。“我们开发的MBE系统可以提供高达9T的原位磁场。通过在HMF下生长Pd/Fe/MgO三层，DMI得到了显着增强。”

吴和她的同事最近的工作介绍了一种调节拓扑自旋结构中电子自旋的可行方法。该团队成功地将这种方法应用于他们的梅隆晶格，但它最终也可以应用于其他拓扑结构。

“我们分析了拓扑诱导力(Fmeron)和电子穿过meron晶格的轨迹，”吴说。“Meron晶格能够操纵自旋电子的传输，自旋极化的理论极限为50%。我们还证明了从Meron晶格到电子，然后到光子的手性转移。”

该研究团队率先在半导体器件中有效集成了meron晶格，从而提高了器件的性能。他们论文中概述的设计原理很快就可以用于创建在环境条件下稳定的其他拓扑结构，而不需要外部磁场。

“我们的HMF辅助MBE方法通过操纵轨道相互作用来有效调节强耦合材料，”吴说。“在接下来的研究中，我们将尝试扩展这种方法的应用，以实现其他晶体和拓扑自旋结构(例如大规模斯格明子和涡旋)的定制生长。”

Wu和她的同事创建的T-LED原型还可以将手性从受拓扑保护的准粒子转移到有质量的费米子，然后转移到无质量的玻色子。因此，他们的工作也为拓扑自旋结构的物理研究及其实际应用提供了新的可能性。

Wu补充道：“我们研究的下一步还将是开发具有更高光偏振和不同波长的T-LED，以实现在生物成像、三维显示和量子通信等更多领域的应用。”

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