Spin Hall-effekt i Weyl-halvmetal til energieffektiv informationsteknologi

Opdagelsen af ​​topologiske Weyl -halvmetaller i 2017 har afsløret muligheder for at realisere flere ekstraordinære fysiske fænomener inden for kondenseret fysik. Nu, forskere ved Chalmers University of Technology har demonstreret den direkte elektriske påvisning af en stor spin Hall -effekt i dette topologiske kvantemateriale. Weyl semimetal drager fordel af sin stærke spin-orbit-kobling og nye topologiske spin-polariserede elektroniske tilstande i sin båndstruktur. Disse eksperimentelle fund kan bane vejen for udnyttelse af spin-orbit inducerede fænomener i udviklingen af ​​næste generation af hurtigere og energieffektiv informationsteknologi og er blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Fysisk gennemgangsforskning.

Efterhånden som vores samfund bliver mere integreret med kunstig intelligens (AI) og Internet-of-Things (IoT), efterspørgslen efter lav effekt, nanoskala, og højtydende elektroniske enheder har været stigende. Spintronic-enheder lover godt for den næste generation af informationsteknologi for at sænke strømforbruget og samtidig øge ydeevnen og ikke-flygtige egenskaber. For nylig, den nuværende inducerede magnetiseringsomskiftning med spin-orbit-drejningsmoment (SOT) ved hjælp af den grundlæggende spin Hall-effekt er identificeret som en vital ingrediens for ikke-flygtig spintronic-hukommelse og logiske enheder. SOT -mekanismen er specifikt nyttig, som en spin -strøm kan genereres ved blot at passere en ladestrøm i tungmetaller på grund af spin Hall -effekten, uden brug af et eksternt magnetfelt. Imidlertid, der er flere udfordringer i forbindelse med den begrænsede skiftehastighed og høje strømforbrug i disse enheder.

En gruppe ledet af Saroj Dash, Lektor ved Quantum Device Physics Laboratory på Chalmers, brugte elektroniske enheder fremstillet af nyt topologisk kvantemateriale, kaldet Weyl semimetal, som er som en tredimensionel version af grafen, men har en stærk spin-bane-interaktion og nye spin-polariserede overflade- og bulk elektroniske tilstande i deres båndstruktur.

"Weylhalvmetaller holder Weyl fermioniske tilstande, som er kendetegnet ved en lineær spredning af Weyl -kegler og Fermi -bueoverfladetilstande. På grund af monopolen som Berry-krumning i momentumrummet og stærk spin-orbit-interaktion, en enestående spintekstur i Weyl -kegler og Fermi -bueoverfladetilstande forudsiges at eksistere i sådanne nye materialer, "siger Saroj Dash.

Forskerne på Chalmers drager fordel af sådanne nye egenskaber til elektrisk at detektere en stor ladning-til-spin-konvertering, dvs. spin Hall -effekten, i sådan en Weyl -halvmetalkandidat WTe ₂ ved stuetemperatur.

"Påvisning af spin -strøm genereret af spin Hall -effekt i WTe ₂ blev realiseret ved at lave enheder af van der Waals heterostruktur med grafen, drage fordel af dets lagdelte strukturer og lange spin -kohærenslængde i grafen og spin -transmission ved heterostruktur -grænsefladen, "forklarer ph.d. -studerende Bing Zhao, der er under opsyn af Saroj Dash på MC2, Chalmers.

Saroj Dash fortsætter, "Vores detaljerede spin -følsomme elektroniske målinger, både inden for spintransport og Hanle -presessiongeometrier, dets vinkel- og portafhængige undersøgelser, og teoretiske beregninger viser eksistensen af ​​de store og gate-tunable spin Hall-fænomener i WTe ₂ enheder ved stuetemperatur. Demonstrationen af ​​en effektiv charge-to-spin konverteringsproces i Weyl semimetalkandidat WTe ₂ ved stuetemperatur kan bane vejen for dets anvendelse i spintronik og kvanteteknologier. "

Fordelene ved topologiske semimetaller 1T 'WTe ₂ er, at den har en lang række interessante egenskaber, som det er et van der Waals lagdelte materialer, en Weyl -halvmetal i bulk med en chiral anomal (negativ magnetoresistens) adfærd, tilstedeværelse af quantum spin Hall -tilstande i enkeltlag, og ny spin-tekstur af overflade og bulk elektronisk tilstand, der giver en stor strøminduceret spin-polarisering.

Saroj Dash-gruppen har endvidere til formål at udnytte sådanne topologiske kvantematerialer til energieffektive spintronic- og kvanteteknologier ved at udnytte deres elektroniske båndstruktur gennem Berry-krumningsdesign og deres nye spintopologier.

"Sådanne udviklinger har et stort potentiale for at realisere ultrahurtig og laveffektelektronik til den næste generation af hukommelse, logik, meddelelse, og kvanteteknologier, " han siger.

Forskningsarbejdet udføres i et multinationalt samarbejde mellem Chalmers University of Technology, Sverige; University of Science and Technology Beijing, Kina; Weizmann Institut for Videnskab, Israel; og Max Planck Institute i Dresden, Tyskland.