Spin-galvanisk effekt i grafen med topologisk topping påvist

Forskere ved Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, har vist den spin-galvaniske effekt, som giver mulighed for konvertering af ikke-ligevægtsspindensitet til en ladestrøm. Her, ved at kombinere grafen med en topologisk isolator, forfatterne realiserer en gate-tunerbar spin-galvanisk effekt ved stuetemperatur. Resultaterne blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

"Vi tror på, at denne eksperimentelle realisering vil tiltrække en masse videnskabelig opmærksomhed og sætte topologiske isolatorer og grafen på kortet til anvendelser i spintroniske og kvanteteknologier, " siger lektor Saroj Prasad Dash, som leder forskergruppen ved Quantum Device Physics Laboratory (QDP), Institut for Mikroteknologi og Nanovidenskab—MC2.

grafen, et enkelt lag af kulstofatomer, har ekstraordinære elektroniske og spin transport egenskaber. Imidlertid, elektroner i dette materiale oplever lav interaktion af deres spin og orbitale vinkelmomenter, kaldet spin-orbit kobling, som ikke tillader at opnå tunbar spintronic funktionalitet i uberørt grafen. På den anden side, unikke elektroniske spin-teksturer og spin-momentum-låsefænomenet i topologiske isolatorer er lovende for nye spin-orbit-drevne spintronics og kvanteteknologier. Imidlertid, brugen af ​​topologiske isolatorer udgør adskillige udfordringer relateret til deres manglende elektriske gate-tunerbarhed, interferens fra trivielle bulkstater, og ødelæggelse af topologiske egenskaber ved heterostrukturgrænseflader.

"Her, vi løser nogle af disse udfordringer ved at integrere todimensionel grafen med en tredimensionel topologisk isolator i van der Waals heterostrukturer for at drage fordel af deres bemærkelsesværdige spintroniske egenskaber og udvikle en nærhedsinduceret spin-galvanisk effekt ved stuetemperatur, " siger Dmitrii Khokhriakov, Ph.D. Studerende på QDP, og første forfatter til artiklen.

Da grafen er atommæssigt tyndt, dets egenskaber kan ændres drastisk, når andre funktionelle materialer bringes i kontakt med det, som er kendt som nærhedseffekten. Derfor, grafen-baserede heterostrukturer er et spændende enhedskoncept, da de udviser stærk gate-tunability af nærhedseffekter, der opstår fra dets hybridisering med andre funktionelle materialer. Tidligere, at kombinere grafen med topologiske isolatorer i van der Waals heterostrukturer, forskerne har vist, at en stærk nærheds-induceret spin-orbit-kobling kunne induceres, som forventes at producere en Rashba spin-splitning i grafenbåndene. Som en konsekvens, den nærliggende grafen forventes at være vært for den spin-galvaniske effekt, med den forventede gate-tunability af dens størrelse og fortegn. Imidlertid, dette fænomen er ikke tidligere blevet observeret i disse heterostrukturer.

"For at realisere denne spin-galvaniske effekt, vi udviklede en speciel Hall-bar-lignende enhed af grafen-topologiske isolator heterostrukturer, " siger Dmitrii Khokhriakov.

Enhederne blev nanofabrikeret i det avancerede renrum ved MC2 og målt på Quantum Device Physics Laboratory. Det nye enhedskoncept gjorde det muligt for forskerne at udføre komplementære målinger i forskellige konfigurationer via spin switch og Hanle spin præcessionseksperimenter, giver et utvetydigt bevis for den spin-galvaniske effekt ved stuetemperatur.

"I øvrigt, vi var i stand til at demonstrere en stærk tunerbarhed og en tegnændring af den spin galvaniske effekt af det elektriske portfelt, hvilket gør sådanne heterostrukturer lovende for realisering af helelektriske og gate-tunerbare spintroniske enheder, " afslutter Saroj Prasad Dash.