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Article du 31 juillet 2023

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Les mérons, structures topologiques basées sur des matériaux magnétiques magnétisés dans le plan, pourraient avoir de nombreuses applications intéressantes, notamment pour transporter des informations ou stocker des charges magnétiques. Cependant, la plupart des réalisations antérieures de ces structures étaient limitées en taille et en stabilité thermique ou avaient des exigences peu pratiques, telles que l'application de champs magnétiques externes.

Des chercheurs de l’Université de Xiamen et de divers autres instituts au Japon, en Chine et en Suède ont récemment conçu des réseaux de mérons à grande échelle qui pourraient être utilisés pour injecter des spins dans des LED ou d’autres dispositifs. Ces réseaux, introduits dans Nature Electronics, sont constitués de trois couches : un mince film de fer pris en sandwich entre un film de palladium et un film d'oxyde de magnésium.

"L'utilisation de structures de spin topologiques est limitée par leur échelle limitée, leur stabilité thermique ou leurs exigences en matière de champ magnétique", a déclaré Yaping Wu, l'un des chercheurs qui ont mené l'étude, à Phys.org. "Dans ce travail, nous avons développé une approche de croissance assistée par champ magnétique élevé (HMF) pour surmonter ces limitations, permettant la construction de réseaux de mérons à l'échelle millimétrique qui sont stables à température ambiante et sans champ magnétique externe. Nous sommes ensuite curieux de savoir comment ces réseaux moduleraient le transport de spin électronique.

Leur analyse théorique a révélé la réponse : les réseaux de mérons sont capables d'induire une polarisation de spin dans le courant injecté. Lorsqu'ils ont été utilisés pour injecter des spins dans une LED à base de nitrure, les réseaux de mérons créés par Wu et ses collègues ont obtenu des résultats très prometteurs, permettant une électroluminescence à polarisation circulaire record. Notamment, cela a été atteint dans des conditions de température ambiante, sans nécessiter de températures particulièrement basses ni l'utilisation de champs magnétiques externes.

"Cette recherche est basée sur l'idée et les efforts de recherche antérieurs selon lesquels l'utilisation du champ magnétique de croissance pour améliorer la cristallisation des matériaux", a déclaré Wu. "Entre-temps, notre groupe de recherche s'est engagé dans la conception, la croissance structurelle et le développement de dispositifs de semi-conducteurs à large bande interdite. Par conséquent, le concept de combinaison des réseaux de mérons construits à l'échelle millimétrique avec des semi-conducteurs photoélectroniques a été mis en lumière dans ce travail."

Les quasiparticules topologiques, telles que les mérons ou les skyrmions, sont essentiellement des structures de spin non coplanaires qui sont topologiquement protégées à l'intérieur de matériaux magnétiques. Wu et ses collègues ont entrepris de concevoir des structures de spin topologiques stables à température ambiante et en l'absence de champ magnétique appliqué, ce qui s'est jusqu'à présent révélé très difficile.

"La stabilité topologique repose sur de fortes interactions orbitales ; ainsi, le HMF pendant la cristallisation peut améliorer et geler les couplages orbitaux d, s et p, tout comme nous l'avions prédit grâce aux calculs des premiers principes", a expliqué Wu. "En conséquence, nous avons conçu et construit des équipements pour une approche d'épitaxie par jet moléculaire (MBE) assistée par HMF afin de développer des matériaux à couplage fort."

En utilisant l'approche proposée, les chercheurs ont créé une structure tricouche, à savoir une couche de palladium, de fer et d'oxyde de magnésium (Pd/Fe/MgO). Cette structure, qui permettait les interactions interfaciales Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), a été placée sur une plaquette de nitrure de gallium (GaN).

"Le HMF a été appliqué pendant la croissance du film de Fe pour briser davantage la symétrie d'inversion spatiale et contrôler l'alignement orbital afin d'obtenir une cristallisation et un spin hautement ordonnés. En conséquence, des réseaux de mérons à plus grande échelle ont été construits", a déclaré Wu. "Les réseaux de mérons à grande échelle qui en résultent sont stables à température ambiante et sous un champ magnétique nul."