Een studie van Monash University die nieuwe spintexturen in pyriet onthult, zou het potentieel van deze materialen in toekomstige spintronica-apparaten kunnen ontsluiten.

De studie van materialen van het pyriettype biedt nieuwe inzichten en mogelijkheden voor selectieve spincontrole in topologische spintronica-apparaten.

Op zoek naar een nieuwe draai in topologische materialen

Topologische materialen hebben een opwindend potentieel voor de volgende generatie, ultra-lage energie elektronica, inclusief thermo-elektrische en spintronische apparaten.

Echter, een beperking op het gebruik van dergelijke materialen in spintronica is dat alle tot nu toe bestudeerde topologische materialen spintoestanden hebben die evenwijdig aan het vlak van het materiaal liggen, terwijl veel/de meeste/alle praktische spintronische apparaten buiten het vlak spintoestanden zouden vereisen.

Het genereren en manipuleren van out-of-plane spins zonder een extern elektrisch of magnetisch veld toe te passen, is een belangrijke uitdaging geweest in de spintronica.

De nieuwe Monash Engineering-studie toont voor het eerst aan dat kristallen van het pyriet-type onconventionele energie- en richtingsafhankelijke spintexturen op het oppervlak kunnen bevatten, met zowel in-plane als out-of-plane spincomponenten, in schril contrast met spintexturen in conventionele topologische materialen.

"Van een aantal pyrietachtige materialen is eerder theoretisch voorspeld dat ze de gewenste out-of-plan spintexturen vertonen, " legt hoofdauteur Dr. Yuefeng Yin uit, in het Computational Materials Lab van Monash Engineering.

Pyriet (in de volksmond bekend als 'fool's gold') is een ijzersulfidemineraal dat meerdere interne vlakken van elektronische symmetrie vertoont.

"De aanwezigheid van sterke lokale symmetrie beschermt spintoestanden buiten het plan, " legt Yuefeng uit, "Dus hebben we besloten om enkele van deze kristallen van dichterbij te bekijken."

De ontdekte onconventionele spintextuur opent nieuwe mogelijkheden voor de noodzakelijke taak van het injecteren of detecteren van out-of-plane spincomponenten in toekomstige topologische spintronische apparaten.

De studie

Selectieve controle van oppervlaktespinstroom in topologische pyriet-type OsX2 (X = Se, Te) kristallen werd in augustus 2019 gepubliceerd in NPJ Quantum Materials.

Met behulp van eerste-principes berekeningen, het Monash-team scheidde oppervlaktespintoestanden door hun interacties met spintoestanden in het grootste deel van het materiaal, resulterend in zeer anisotroop maar afstembaar gedrag.

Naast financiering van de Australian Research Council (Centre of Excellence en ARC Laureates-financiering) erkennen de auteurs dankbaar de computationele ondersteuning van de Monash Campus Cluster, NCI computationele faciliteit en Pawsey Supercomputing Facility.

De link tussen symmetrie en topologische materialen

De aanwezigheid van sterke, lokale symmetrie biedt topologische robuustheid aan spintoestanden, en symmetrie is daarom een ​​sterke voorspeller van topologisch gedrag, zodat het bestuderen van deze verschijnselen in pyrietkristallen aanwijzingen zou moeten opleveren voor de ontdekking van vele andere nieuwe topologische materialen.

Topologische isolatoren zijn nieuwe materialen die zich in hun interieur als elektrische isolatoren gedragen, maar kunnen een stroom langs hun randen voeren. In tegenstelling tot een conventioneel elektrisch pad, dergelijke topologische randpaden kunnen elektrische stroom voeren met een energiedissipatie van bijna nul, wat betekent dat topologische transistors kunnen schakelen zonder energie te verbranden.