Udtynding af Weyl-halvmetaller giver et nyt twist til spintronics

Spin er en fundamental kvanteegenskab, der påvirker en række fysiske og kemiske fænomener forbundet med det. Brug af et materiales spin-egenskab til at føre strøm har applikationer til at overføre data med meget højere hastighed, for eksempel, og opnår bedre energieffektivitet end traditionelle enheder, der er afhængige af elektriske ladninger. Imidlertid, dette kræver et materiale, der kan generere langvarig ren spinstrøm med høj effektivitet.

Et team ledet af professor LOH Kian Ping, Institut for Kemi og Center for Avancerede 2D-materialer, NUS, har identificeret en sådan lovende kandidat i form af få-lags tyndt halvmetal molybdæn ditellurid (MoTe ₂ ). Et semimetal er et materiale med et meget lille overlap mellem bunden af ​​ledningsbåndet og toppen af ​​valensbåndet. Det har materialeegenskaber, der ligger mellem dem for metaller og halvledere.

Holdet stolede på den såkaldte intrinsic spin Hall-effekt (SHE) i MoTe ₂ , som omdanner ladestrøm til ren spinstrøm uden et stærkt magnetfelt eller komplicerede excitationsmetoder. I konventionelle materialer, HUN lider af to begrænsninger. Den ene er afvejningen mellem ladnings-spin-konverteringseffektiviteten og spindiffusionslængden. En anden er den geometriske begrænsning, der kræver strømmen af ​​ladestrøm, spinstrøm og spinpolarisering for at være gensidigt ortogonale i forhold til hinanden. Sidstnævnte begrænser enhedskonfigurationerne, hvor spinstrøm kan bruges til at skifte orienteringen af ​​et magnetisk lag i magnetiske enheder.

Prof Loh sagde, "Vi opdagede, at begge begrænsninger kan overvindes ved at sænke symmetrien af ​​semimetal MoTe ₂ krystal. I praksis, dette kræver blot MoTe ₂ krystal, der skal fortyndes til et par lags tykkelse."

Dr. SONG Peng, avisens første forfatter, opnåede atomisk tynde prøver ved brug af scotch-tape-eksfolieringsmetoden og fremstillede enheder til at studere ladning-til-spin-konvertering. Ved at bruge en ikke-magnetisk elektrode til at injicere ladninger i prøven, han var i stand til at generere ren spinstrøm og måle dens diffusionslængde i materialet. En ladnings-spin konverteringseffektivitet på omkring 30% og spindiffusionslængde på omkring 2 μm blev opnået. Kombinationen af ​​begge egenskaber er meget sjælden og er ikke blevet observeret i andre materialer, herunder platin og galliumarsenid.

Holdet forklarede, at innovationen ligger i, at symmetrien bryder sammen med reduktion af krystaldimensionalitet. Spin-kredsløbskoblingen, som er ansvarlig for spinstrømmen, udviser usædvanlig adfærd i atomisk tynde MoTe ₂ . Udover at generere spinstrøm effektivt, det hjælper også spinstrømmen med at forplante sig en afstand på 2 um, som er meget længere end spindiffusionslængden (ca. 10 nm) fundet i almindeligt studerede spin Hall-metaller, såsom platin og wolfram.

Ud over, holdet identificerede en ny form for SHE, som de kaldte Planar SHE for at betegne det faktum, at spinpolarisering og ladestrøm kan være kollineær i stedet for ortogonal. Reduktion af krystalsymmetrien er ansvarlig for at generere plan SHE. En sådan effekt kan anvendes til at skifte magnetisering i magnetiske tunnelforbindelser ved hjælp af spinoverførselsmomenteffekten.

"Vores undersøgelse identificerede ikke kun et lovende materiale til fremtidige energieffektive enheder, men afslører også konceptet om, at symmetrireduktion kan være en kraftfuld strategi til at manipulere spin-orbit-relaterede effekter, " tilføjede Prof Loh.

Næste, holdet planlægger at inkorporere dette materiale i funktionelle enheder, såsom random access memory, til potentielle anvendelser i den virkelige verden.

Undersøgelsen er publiceret i Naturmaterialer .