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 spin-texturen te vormen, zoals skyrmions, en maakt hun potentiële toepassing in energiezuinige spintronische apparaten mogelijk.

Deze week gepubliceerd, een samenwerking tussen China en Australië heeft voor het eerst aangetoond dat DMI kan worden geïnduceerd in een gelaagd materiaal tantaal-sulfide (TaS ₂ ) door ijzeratomen te intercaleren, en kan verder worden afgestemd door gate-geïnduceerde protonintercalatie.

Op zoek naar gelaagde materialen die chirale spintexturen herbergen, zoals skyrmions, chiraal domein Walls is van vitaal belang voor verdere energiezuinige nanodevices, omdat die chirale spintexturen bouwstenen zijn voor topologische spintronische apparaten en kunnen worden aangedreven door een ultralage stroomdichtheid.

Over het algemeen, chirale spintexturen worden gestabiliseerd door DMI. Daarom, het introduceren en beheersen van DMI in materialen is de sleutel bij het zoeken 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 de studie, FLEET-onderzoeksgenoot Dr. Guolin Zheng (RMIT).

Het team realiseerde eerst met succes een aanzienlijke DMI in het gelaagde materiaal tantaal-sulfide (TaS ₂ ) door Fe-atomen te intercaleren.

Echter, het elektrisch aansturen van de DMI blijkt een uitdaging:

"Zowel conventionele elektrische veldpoorten, en 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 alleen de dragers dicht bij het oppervlak moduleren, " legt Guolin uit.

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

Door de intercalatie van protonen door poortspanning te vergroten, het team was in staat om de dragerdichtheid aanzienlijk te veranderen en de DMI verder af te stemmen via het Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) mechanisme, die verwijst naar de koppeling van nucleaire magnetische momenten.

"De waargenomen topologische Hall-weerstand na protonintercalatie is meer dan verviervoudigd onder een paar volt, 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 TaS ₂ door protonische poort maakt een elektrische controle mogelijk van de chirale spintexturen en de mogelijke toepassingen in energiezuinige spintronische apparaten, " zegt co-auteur Prof Mingliang Tian, die een FLEET-partneronderzoeker is en directeur van de partnerorganisatie van het centrum, het High Magnetic Field Laboratory (provincie Anhui, China).

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