Inducering og tuning af spin-interaktioner i lagdelt materiale ved at indsætte jernatomer, protoner

Magnetisk-spin-interaktioner, der tillader spin-manipulation ved elektrisk kontrol, muliggør potentielle anvendelser i energieffektive spintroniske enheder.

En antisymmetrisk udveksling kendt som Dzyaloshinskii-Moriya-interaktioner (DMI) er afgørende for at danne forskellige chirale spin-teksturer, såsom skyrmioner, og tillader deres potentielle anvendelse i energieffektive spintroniske enheder.

Udgivet i denne uge, et kinesisk-australsk samarbejde har for første gang illustreret, at DMI kan induceres i et lagdelt materiale tantalsulfid (TaS) ₂ ) ved at interkalere jernatomer, og kan yderligere tunes ved gate-induceret proton interkalation.

Søger efter lagdelte materialer, der rummer chirale spin-teksturer, såsom skyrmioner, chiral domæne Walls er afgørende for yderligere lavenergi nanoenheder, da disse chirale spin-teksturer er byggesten til topologiske spintroniske enheder og kan drives af ultra-lav strømtæthed.

Generelt, chirale spin-teksturer stabiliseres af DMI. Derfor, at introducere og kontrollere DMI i materialer er nøglen til at søge og manipulere de chirale spin-teksturer.

"Tantalsulfid er en af ​​den store familie af overgangsmetal dichalcogenid (TMDC'er), der er undersøgt af FLEET til lavenergiapplikationer, " siger undersøgelsens første forfatter, FLEET-forsker Dr. Guolin Zheng (RMIT).

Holdet realiserede først med succes et betydeligt DMI i det lagdelte materiale tantalsulfid (TaS) ₂ ) ved at interkalere Fe-atomer.

Imidlertid, elektrisk styring af DMI viser sig at være udfordrende:

"Både konventionelle elektriske feltporte, og den meget anvendte alternative teknik med ion-væske (Li ⁺ ) gating har ramt snublesten i den elektriske kontrol af DMI i omrejsende ferromagneter, fordi det elektriske felt og Li ⁺ kan kun modulere bærerne tæt på overfladen, " forklarer Guolin.

For at imødegå denne begrænsning ved tuning af DMI, gruppen på RMIT udviklede for nylig en ny protonisk gate-teknik, og med succes illustreret, at DMI kan kontrolleres dramatisk af gate-inducerede protoninterkalationer.

Ved at øge interkalationen af ​​protoner med gatespænding, holdet var i stand til væsentligt at ændre bærertætheden og yderligere tune DMI via Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) mekanismen, som refererer til koblingen af ​​kernemagnetiske momenter.

"Den observerede topologiske Hall-resistivitet efter protoninterkalation er blevet øget mere end fire gange under nogle få volt, indikerer en enorm stigning i DMI, " siger medforfatter A/Prof Lan Wang (også hos RMIT).

"Den vellykkede tuning af DMI i chiral magnet Fe-interkaleret TaS ₂ af protonisk gate muliggør en elektrisk kontrol af de chirale spin-teksturer såvel som de potentielle anvendelser i energieffektive spintroniske enheder, " siger medforfatter Prof Mingliang Tian, som er en FLEET-partnerforsker og direktør for centrets partnerorganisation High Magnetic Field Laboratory (Anhui-provinsen, Kina).

"Skræddersy Dzyaloshinskii-Moriya interaktion i et overgangsmetal dichalcogenid ved dobbelt-interkalation" blev offentliggjort i Naturkommunikation i juni 2021.