DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07125-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38538937
تاريخ النشر: 2024-03-27
المؤلف: Pambiang Abel Dainone وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص المغناطيسية للأفلام الرقيقة
نظرة عامة
يتناول هذا القسم دمج الفوتونيات والإلكترونيات والسبينترونيك من خلال تعديل الاستقطاب الدائري للضوء المنبعث عبر مغنطة يتم التحكم فيها كهربائيًا في الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LEDs). يظهر المؤلفون أنه عند درجة حرارة الغرفة وبدون مجال مغناطيسي مطبق، يمكن أن يؤدي انتقال الزخم الزاوي بين الفوتونات والإلكترونات والمغناطيسات الحديدية إلى التحكم في الاستقطاب الدائري. يتم تحقيق ذلك من خلال عزم الدوران الناتج عن السبين، حيث يولد تيار الشحنة تيار السبين الذي يبدل المغنطة، مما يؤثر على اتجاه السبين للحاملات المدخلة وبالتالي على استقطاب الضوء المنبعث.
تقدم النتائج تقدمًا كبيرًا في تحقيق التحكم غير المتطاير في المغنطة، مما يسهل تعديل الاستقطاب الدائري وحقن السبين بسرعة فائقة، وهو أمر حاسم لتقنيات المعلومات والاتصالات من الجيل التالي. يبرز المؤلفون الإمكانية لتطبيق هذه المبادئ في الهياكل المصغرة والمواد ثنائية الأبعاد، مما يمهد الطريق لمعالجة المعلومات الكمية وطيفيات تعتمد على السبين جديدة. بالإضافة إلى ذلك، يتناولون الطلب المتزايد على حلول الاتصالات البصرية الموفرة للطاقة في ضوء زيادة حركة الإنترنت العالمية والاستهلاك المتوقع للطاقة في مراكز البيانات، داعين إلى منصات متعددة الوظائف متكاملة تجمع بين التخزين المغناطيسي والنقل البصري ومعالجة CMOS.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الطرق المستخدمة للتحقيق في تبديل المغناطيسية (M) من خلال تأثير هول الشاذ (AHE). يتم استخدام AHE لقياس تبديل M خارج المستوى، والذي يتم الإشارة إليه بمقاومة AHE ($R_{\text{AHE}} \sim M$) والجهد المقابل ($V_{\text{AHE}}$) الناتج استجابةً لتيار مطبق ($I$). تكشف الدراسة أن جزءًا كبيرًا (52%) من المجالات المغناطيسية يمكن تبديله عند عدم وجود مجال في المستوى ($H_x = 0 \, \text{T}$)، على الرغم من أن التبديل الكامل يتطلب تطبيق مجال في المستوى لكسر تماثل عزم الدوران الناتج عن السبين (SOT). يستخدم المؤلفون مجهر تأثير كير المغناطيسي البصري (MOKE) لتحليل انتشار المجالات المغناطيسية تحت فترات نبض مختلفة ($t_{\text{pulse}}$) وسعات تيار ($I_{\text{pulse}}$). يجدون أنه عند درجة حرارة الغرفة، يمكن لنبضة واحدة من $I = 20 \, \text{mA}$ أن تبدل M بالكامل مع مجال صغير في المستوى، بينما تتطلب فترات النبض الأقصر سعات تيار أعلى للتبديل الفعال.
يستكشف المؤلفون أيضًا التحكم في الاستقطاب الدائري ($P_c$) للضوء المنبعث من خلال تبديل M، موضحين أنه يمكن تعديل $P_c$ من +31% إلى -31% بناءً على اتجاه التيار النبضي. من الجدير بالذكر أن هذا التعديل يستمر حتى عند عدم وجود مجال مغناطيسي، على الرغم من أن السعة تكون أقل بسبب تبديل M الجزئي. يتم تأكيد استقرار $P_c$ على مدى 60 دورة من نبضات التيار المتناوب، مما يشير إلى إمكانية الترميز بتعديل متعدد المستويات في الاتصالات البصرية. يقترح المؤلفون أن طريقة حقن السبين المعتمدة على SOT يمكن دمجها في الليزر المغناطيسي، مما يعزز كفاءة انبعاث الضوء المستقطب بالسبين ويسهل نقل البيانات بسرعة عالية. كما يبرزون الإمكانية لتحقيق تقدم مستقبلي في تقنيات الذاكرة المغناطيسية لتحسين أداء مصابيح LED المغناطيسية والليزر المغناطيسية، مما يمهد الطريق لتطبيقات في التقنيات الكمية.
نقاش
في هذا القسم، يناقش المؤلفون التقدم في تصميم ووظائف هيكل LED المغناطيسي، مع التركيز بشكل خاص على دمج طبقة كروم (Cr) بسمك 3 نانومتر في حقن السبين. يقلل هذا الابتكار بشكل كبير من مقاومة القناة إلى 300 أوم، مما يعزز تيار الانهيار لحاجز شوتكي ويعالج مشاكل التوصيل في أشباه الموصلات. كما تظهر طبقة الكروم زاوية هول سبين كبيرة ($\theta_{SH} \approx -0.1$)، والتي، بالاقتران مع نفس إشارة زاوية هول السبين للتنتالوم (Ta)، من المتوقع أن تحسن عزم الدوران الناتج عن السبين (SOT) لتبديل المغنطة. بالإضافة إلى ذلك، يساهم الكروم في تيار مداري كبير عبر تأثير هول المداري، مما يعزز SOT بشكل أكبر.
تضمنت عملية إعداد العينة عملية نمو دقيقة باستخدام ترسيب شعاعي جزيئي (MBE) لإنشاء هيكل LED p-i-n مع نقاط كوانتية من InAs (QDs) وحقن سبين معدني يتكون من MgO وCoFeB وTa. يعد إدخال الشوائب من البريليوم (Be) في QDs أمرًا حيويًا لتحقيق انبعاث الضوء المستقطب دائريًا، حيث إنه يخفف من آثار تفاعلات تبادل الإلكترون والثقب التي تؤدي عادةً إلى استقطاب ضعيف في QDs المحايدة. كما يوضح المؤلفون التوصيف الهيكلي والكيميائي لحقن السبين من خلال مجهر نقل الإلكترونات عالي الدقة (HR-STEM) وطيف فقدان طاقة الإلكترون (EELS)، كاشفين عن رؤى حول الواجهة وتوزيع العناصر. تظهر قياسات الإضاءة الكهربائية المستقطبة قيم استقطاب دائري كبيرة، مما يشير إلى فعالية تصميم LED المغناطيسي في تحقيق الخصائص البصرية الإلكترونية المطلوبة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07125-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38538937
Publication Date: 2024-03-27
Author(s): Pambiang Abel Dainone et al.
Primary Topic: Magnetic properties of thin films
Overview
This section discusses the integration of photonics, electronics, and spintronics through the modulation of circular polarization of emitted light via electrically-controlled magnetization in light-emitting diodes (LEDs). The authors demonstrate that at room temperature and zero-applied magnetic field, the transfer of angular momentum between photons, electrons, and ferromagnets enables the control of circular polarization. This is achieved through spin-orbit torque, where a charge current generates a spin current that switches magnetization, thus influencing the spin orientation of injected carriers and subsequently the polarization of emitted light.
The findings present a significant advancement in achieving nonvolatile control of magnetization, facilitating ultrafast modulation of circular polarization and spin injection, which is crucial for next-generation information-communication technologies. The authors highlight the potential for these principles to be applied in scaled-down structures and two-dimensional materials, paving the way for quantum information processing and novel spin-dependent spectroscopies. Additionally, they address the growing demand for energy-efficient optical communication solutions in light of increasing global internet traffic and the projected energy consumption of data centers, advocating for integrated multifunctional platforms that combine magnetic storage, optical transmission, and CMOS processing.
Methods
In this section, the authors describe the methods used to investigate magnetic (M) switching through the anomalous Hall effect (AHE). The AHE is employed to measure the out-of-plane M switching, which is indicated by the AHE resistance ($R_{\text{AHE}} \sim M$) and the corresponding voltage ($V_{\text{AHE}}$) generated in response to an applied current ($I$). The study reveals that a significant portion (52%) of magnetic domains can be switched at zero in-plane field ($H_x = 0 \, \text{T}$), although full switching requires the application of an in-plane field to break the symmetry of the spin-orbit torque (SOT). The authors utilize magneto-optic Kerr effect (MOKE) microscopy to analyze magnetic domain propagation under varying pulse durations ($t_{\text{pulse}}$) and current amplitudes ($I_{\text{pulse}}$). They find that at room temperature, a single pulse of $I = 20 \, \text{mA}$ can fully switch M with a small in-plane field, while shorter pulse durations necessitate higher current amplitudes for effective switching.
The authors further explore the control of the circular polarization ($P_c$) of emitted light through M switching, demonstrating that $P_c$ can be modulated from +31% to -31% based on the direction of the pulsed current. Notably, this modulation persists even at zero magnetic field, albeit with reduced amplitude due to partial M switching. The stability of $P_c$ is confirmed over 60 cycles of alternating current pulses, indicating potential for multi-level modulation coding in optical communications. The authors propose that their SOT-based spin-injection method could be integrated into spin-lasers, enhancing the efficiency of spin-polarized light emission and facilitating high-speed data transmission. They also highlight the potential for future advancements in magnetic memory technologies to further improve the performance of their spin-LEDs and spin-lasers, paving the way for applications in quantum technologies.
Discussion
In this section, the authors discuss the advancements in the design and functionality of a spin-LED structure, particularly focusing on the incorporation of a 3 nm-thick chromium (Cr) layer in the spin injector. This innovation significantly reduces channel resistance to 300 Ω, enhancing the breakdown current of the Schottky barrier and addressing semiconductor shunting issues. The Cr layer also exhibits a large spin Hall angle ($\theta_{SH} \approx -0.1$), which, combined with the similar sign of the spin Hall angle for tantalum (Ta), is expected to improve spin-orbit torque (SOT) for magnetization switching. Additionally, Cr contributes to a substantial orbital current via the orbital Hall effect, further enhancing SOT.
The sample preparation involved a meticulous growth process using molecular beam epitaxy (MBE) to create a p-i-n LED structure with InAs quantum dots (QDs) and a metallic spin injector composed of MgO, CoFeB, and Ta. The introduction of beryllium (Be) doping in the QDs is crucial for achieving circularly polarized light emission, as it mitigates the effects of electron-hole exchange interactions that typically lead to weak polarization in neutral QDs. The authors also detail the structural and chemical characterization of the spin injectors through high-resolution scanning transmission electron microscopy (HR-STEM) and electron energy loss spectroscopy (EELS), revealing insights into the interface and elemental distribution. The polarization-resolved electroluminescence measurements demonstrate significant circular polarization values, indicating the effectiveness of the spin-LED design in achieving desired optoelectronic properties.