Het induceren en afstemmen van spin-interacties in gelaagd materiaal door ijzeratomen, protonen in te voegen

Magnetische spin-interacties die spinmanipulatie door elektrische besturing mogelijk maken, maken mogelijke toepassingen in energiezuinige spintronische apparaten mogelijk.

Een antisymmetrische uitwisseling die bekend staat als Dzyaloshinskii-Moriya-interacties (DMI) is van vitaal belang om verschillende chirale spinstructuren te vormen, zoals skyrmionen, en maakt hun potentiële toepassing in energiezuinige spintronische apparaten mogelijk.

Deze week gepubliceerd, heeft een Chinees-Australische samenwerking voor het eerst aangetoond dat DMI kan worden geïnduceerd in een gelaagd materiaal tantaal-sulfide (TaS₂) door ijzeratomen te intercaleren, en kan verder worden afgestemd door gate-geïnduceerde protonintercalatie.

Zoeken naar gelaagde materialen die chirale spin-texturen herbergen, zoals skyrmionen, chirale domeinmuren is van vitaal belang voor andere laag-energetische nanodevices, aangezien die chirale spin-texturen bouwstenen zijn voor topologische spintronische apparaten en kunnen worden aangedreven door ultra-lage stroomdichtheid.

Over het algemeen worden chirale spintexturen gestabiliseerd door DMI. Daarom is het introduceren en beheersen van DMI in materialen van cruciaal belang bij het zoeken naar en manipuleren van de chirale spin-texturen.

“Tantalum-sulfide is een van de grote familie van overgangsmetaal dichalcogenide (TMDC’s) die door FLEET is onderzocht voor energiezuinige toepassingen”, zegt de eerste auteur van het onderzoek, FLEET Research Fellow Dr. Guolin Zheng (RMIT).

Het team realiseerde eerst met succes een aanzienlijke DMI in het gelaagde materiaal tantaal-sulfide (TaS₂) door Fe-atomen te intercaleren.

Het elektrisch aansturen van de DMI blijkt echter een uitdaging:

“Zowel conventionele elektrische veldpoorten als de veelgebruikte alternatieve techniek van ion-vloeistof (Li⁺) poorten hebben struikelblokken geraakt in de elektrische besturing van DMI in rondtrekkende ferromagneten, omdat het elektrische veld en Li⁺ kan de dragers alleen dicht bij het oppervlak moduleren”, legt Guolin uit.

Om deze beperking bij het afstemmen van de DMI aan te pakken, heeft de groep bij RMIT onlangs een nieuwe protonische poorttechniek ontwikkeld en met succes geïllustreerd dat DMI dramatisch kan worden gecontroleerd door poort-geïnduceerde proton-intercalaties.

Door de intercalatie van protonen door poortspanning te vergroten, kon het team de dragerdichtheid aanzienlijk veranderen en de DMI verder afstemmen via het Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) -mechanisme, dat verwijst naar de koppeling van nucleaire magnetische momenten.

“De waargenomen topologische Hall-weerstand na protonintercalatie is meer dan verviervoudigd onder een paar volt, wat wijst op een enorme toename van DMI”, zegt co-auteur A/Prof Lan Wang (ook bij RMIT).

“De succesvolle afstemming van DMI in chirale magneet Fe-geïntercaleerde TaS₂ door protonische poort maakt een elektrische controle van de chirale spintexturen mogelijk, evenals de potentiële toepassingen in energiezuinige spintronische apparaten”, zegt co-auteur prof. Mingliang Tian, ​​die een FLEET-partneronderzoeker is en directeur van de partnerorganisatie van het centrum, de High Magnetic Veldlaboratorium (provincie Anhui, China).

“Het afstemmen van Dzyaloshinskii-Moriya-interactie in een overgangsmetaaldichalcogenide door dubbele intercalatie” werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie in juni 2021.