Spin in WTe2 kwantificeren voor toekomstige spintronica

Links: monolaag WTe2-apparaat (schaalbalk = 5um). Rechts: Gate-afhankelijke geleiding bij wisselende temperaturen. Credit: Nano-letters

Een door RMIT geleide, internationale samenwerking die deze week is gepubliceerd, heeft grote anisotrope magnetoweerstand (AMR) in het vlak waargenomen in een kwantumspin Hall-isolator en de spinkwantisatie-as van de randtoestanden kan goed worden gedefinieerd.

Een quantum spin Hall-isolator (QSHI’s) is een tweedimensionale toestand van materie met een isolerende massa en niet-dissipatieve spiraalvormige randtoestanden die spin-momentumvergrendeling vertonen, wat veelbelovende opties zijn voor de ontwikkeling van toekomstige energiezuinige nano-elektronische en spintronische apparaten .

De FLEET-samenwerking van onderzoekers van RMIT, UNSW en South China Normal University (China) bevestigt voor het eerst het bestaan ​​van grote in-plane AMR in monolaag WTe₂ wat een nieuwe QSHI is met hogere kritische temperaturen.

Door elektrische geleiding mogelijk te maken zonder verspilde energieverspilling, zouden dergelijke materialen de basis kunnen vormen van een nieuwe toekomstige generatie elektronica met ultralage energie.

Monolaag WTe . fabriceren₂ apparaten

De opkomst van topologische isolatoren heeft veel hoop geboden aan onderzoekers die op zoek zijn naar niet-dissipatief transport, en dus een oplossing voor de reeds waargenomen plateauing van de wet van Moore.

In tegenstelling tot eerder gerapporteerde quantum-well-systemen, die alleen gekwantiseerd randtransport bij lage temperaturen konden vertonen, is de recente waarneming van gekwantiseerd randtransport bij 100 K in een voorspelde QSHI met grote bandgap, monolaag WTe₂ , heeft meer licht geworpen op de toepassingen van QSHI.

“Hoewel we veel ervaring hadden opgedaan met het stapelen van van der Waals (vdW) heterostructuren, was het vervaardigen van monolayer vdW-apparaten nog steeds een uitdaging voor ons”, zegt de eerste auteur van het onderzoek, Dr. Cheng Tan.

“Omdat monolaag WTe₂ nanovlokken zijn moeilijk te verkrijgen, we hebben ons eerst gericht op een meer volwassen materiaal, grafeen, om de beste manier te ontwikkelen voor het vervaardigen van monolaag WTe₂ vdW-apparaten”, zegt Cheng, een FLEET Research Fellow aan de RMIT University in Melbourne.

Als de monolaag WTe₂ nanovlokken zijn ook erg gevoelig voor de lucht, beschermende ‘amourspakken’ gemaakt van inerte hBN-nanovlokken moeten worden gebruikt om ze in te kapselen. Bovendien werd de montage uitgevoerd in een zuurstof- en watervrije handschoenenkast voorafgaand aan reeksen tests buiten. Na enige inspanning heeft het team vervolgens met succes de monolaag WTe . gefabriceerd₂ apparaten met gate-elektroden en waargenomen typisch transportgedrag van gated monolaag WTe₂.

“Voor materialen die in toekomstige spintronische apparaten zullen worden gebruikt, hebben we een methode nodig om spinkenmerken te bepalen, met name de richting van de spin”, zegt Dr. Guolin Zheng (ook bij RMIT).

Wanneer een enkellaags WTe2-apparaat (links) in de richting van het vlak wordt gekanteld, varieert AMR (rechts) per kantelhoek, weergegeven bij variërend magnetisch veld, en bereikt het een minimale waarde wanneer het magnetische veld loodrecht op de randstroomrichting staat. Credit: Nano-letters

“Echter, in monolaag WTe₂, spin-momentum vergrendeling (een essentiële eigenschap van QSHI) en of spin-kwantisatie-as in zijn spiraalvormige randtoestanden kon worden bepaald, moest nog experimenteel worden aangetoond.”

Anisotrope magnetoweerstand (AMR) is een effectieve transportmeetmethode om de relatie tussen de spin en het momentum van de elektronen te onthullen wanneer de stroom spin-gepolariseerd is.

Aangezien de randtoestanden van een QSHI alleen het transport van spin-gepolariseerde elektronen mogelijk maken, gebruikte het team vervolgens AMR-metingen om de mogelijke spin-momentumvergrendeling in de randtoestanden van monolaag WTe te onderzoeken.₂.

“Gelukkig hebben we de juiste methode gevonden om met de monolaag WTe . om te gaan₂ nanovlokken”, zegt co-auteur Dr. Feixiang Xiang (UNSW). “Dus voerden we hoekafhankelijke transportmetingen uit om de mogelijke spinkenmerken in de randstaten te onderzoeken.”

Anisotrope magnetoweerstand uitvoeren en de spinkwantisatie-as definiëren

De topologische randtoestanden zijn echter niet de enige mogelijke oorzaak voor spin-momentumvergrendeling en in-plane AMR-effecten in een QSHI. Rashba-splitsing kan ook vergelijkbare effecten genereren, waardoor de experimentele resultaten onduidelijk kunnen zijn.

“Gelukkig induceren topologische randtoestanden en Rashba-splitsing zeer verschillende gate-afhankelijke AMR-gedragingen in het vlak, omdat de bandstructuur onder deze twee situaties nog steeds erg verschillend is.” zegt co-auteur Prof Alex Hamilton (ook bij UNSW).

“De meeste monsters laten zien dat een minimum aan AMR in het vlak optreedt wanneer het magnetische veld bijna loodrecht staat op de richting van de randstroom.” zegt Chen.

Verdere theoretische berekeningen door medewerkers van de South China Normal University bevestigden verder dat de spins van elektronen in de randtoestanden van monolaag WTe₂ moeten altijd loodrecht op hun voortplantingsrichtingen staan, de zogenaamde ‘spin-momentum locking’.

“De amplitudes van de in-plane AMR waargenomen in monolaag WTe₂ is erg groot, tot wel 22%”, zegt co-auteur A/Prof Lan Wang (ook bij RMIT).

“Terwijl de eerdere amplitudes van in-plane AMR in andere 3D-topologische isolatoren slechts ongeveer 1% zijn. Door AMR-metingen kunnen we ook nauwkeurig de spinkwantisatie-as van de spin-gepolariseerde elektronen in de randtoestanden bepalen.”

“Nogmaals, dit werk demonstreert het veelbelovende potentieel van QSHI voor het ontwerpen en ontwikkelen van nieuwe spintronische apparaten en bewijst dat AMR een nuttig hulpmiddel is voor het ontwerp en de ontwikkeling van op QSHI gebaseerde spintronische apparaten, die een van de veelbelovende routes zijn voor FLEET om lage- energieapparaten in de toekomst.”