Spin-galvanisch effect in grafeen met topologische topping aangetoond

Onderzoekers van Chalmers University of Technology, Zweden, hebben het spin-galvanische effect aangetoond, dat de conversie van niet-evenwichtige spindichtheid in een laadstroom mogelijk maakt. Door grafeen te combineren met een topologische isolator, realiseren de auteurs hier een gate-tunable spin-galvanisch effect bij kamertemperatuur. De bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

“Wij geloven dat deze experimentele realisatie veel wetenschappelijke aandacht zal trekken en topologische isolatoren en grafeen op de kaart zal zetten voor toepassingen in spintronische en kwantumtechnologieën”, zegt universitair hoofddocent Saroj Prasad Dash, die de onderzoeksgroep leidt bij het Quantum Device Physics Laboratory. (QDP), het Department of Microtechnology and Nanoscience – MC2.

Grafeen, een enkele laag koolstofatomen, heeft buitengewone elektronische en spintransporteigenschappen. Elektronen in dit materiaal ondervinden echter een lage interactie van hun spin en orbitale hoekmomenten, de zogenaamde spin-orbit-koppeling, waardoor het niet mogelijk is om afstembare spintronische functionaliteit te bereiken in ongerept grafeen. Aan de andere kant zijn unieke elektronische spintexturen en het spin-momentumvergrendelingsfenomeen in topologische isolatoren veelbelovend voor opkomende spin-orbit-aangedreven spintronica en kwantumtechnologieën. Het gebruik van topologische isolatoren brengt echter verschillende uitdagingen met zich mee die verband houden met hun gebrek aan elektrische poortafstembaarheid, interferentie door triviale bulktoestanden en vernietiging van topologische eigenschappen op heterostructuur-interfaces.

“Hier pakken we enkele van deze uitdagingen aan door tweedimensionaal grafeen te integreren met een driedimensionale topologische isolator in van der Waals-heterostructuren om te profiteren van hun opmerkelijke spintronische eigenschappen en een nabijheidsgeïnduceerd spin-galvanisch effect bij kamertemperatuur te ontwikkelen,” zegt Dmitrii Khokhriakov, Ph.D. Student bij QDP, en eerste auteur van het artikel.

Omdat grafeen atomair dun is, kunnen de eigenschappen ervan drastisch veranderen wanneer andere functionele materialen ermee in contact worden gebracht, wat bekend staat als het nabijheidseffect. Daarom zijn op grafeen gebaseerde heterostructuren een opwindend apparaatconcept, omdat ze een sterke poortafstemming van nabijheidseffecten vertonen die voortvloeien uit de hybridisatie met andere functionele materialen. Eerder, door grafeen te combineren met topologische isolatoren in van der Waals heterostructuren, hebben de onderzoekers aangetoond dat een sterke nabijheidsgeïnduceerde spin-orbit-koppeling kan worden geïnduceerd, wat naar verwachting een Rashba-spinsplitsing in de grafeenbanden zal produceren. Als gevolg hiervan wordt verwacht dat het proximitized grafeen het spin-galvanische effect zal hebben, met de verwachte gate-tunability van zijn grootte en teken. Dit fenomeen is echter niet eerder waargenomen in deze heterostructuren.

“Om dit spin-galvanische effect te realiseren, hebben we een speciaal Hall-bar-achtig apparaat van grafeen-topologische isolator-heterostructuren ontwikkeld”, zegt Dmitrii Khokhriakov.

De apparaten werden met nanofabricage vervaardigd in de ultramoderne cleanroom van MC2 en gemeten in het Quantum Device Physics Laboratory. Het nieuwe apparaatconcept stelde de onderzoekers in staat om complementaire metingen uit te voeren in verschillende configuraties via spin-switch en Hanle-spin-precessie-experimenten, wat een ondubbelzinnig bewijs gaf van het spin-galvanische effect bij kamertemperatuur.

“Bovendien waren we in staat om een ​​sterke afstembaarheid en een tekenverandering van het spin-galvanische effect door het elektrische veld van de poort aan te tonen, waardoor dergelijke heterostructuren veelbelovend zijn voor de realisatie van volledig elektrische en poortafstelbare spintronische apparaten”, besluit Saroj Prasad Dash. .