Kvantificering af spin i WTe2 til fremtidig spintronik

Et RMIT-ledet, internationalt samarbejde offentliggjort i denne uge har observeret stor in-plane anisotropisk magnetoresistens (AMR) i en kvantespin Hall-isolator, og spin-kvantiseringsaksen for kanttilstandene kan være veldefinerede.

En quantum spin Hall isolator (QSHI'er) er en todimensionel tilstand af stof med en isolerende bulk og ikke-dissipative spiralformede kanttilstande, der viser spin-momentum låsning, som er lovende muligheder for at udvikle fremtidige lavenergi nano-elektroniske og spintroniske enheder .

FLEET-samarbejdet mellem forskere ved RMIT, UNSW og South China Normal University (Kina) bekræfter for første gang eksistensen af ​​store in-plane AMR i monolag WTe₂ som er en ny QSHI med højere kritiske temperaturer.

Ved at tillade elektrisk ledning uden spildt afledning af energi kan sådanne materialer danne grundlaget for en ny fremtidig generation af ultra-lavenergielektronik.

Fabrikation af monolag WTe₂ enheder

Fremkomsten af ​​topologiske isolatorer har givet betydeligt håb for forskere, der søger ikke-dissipativ transport, og dermed en løsning på den allerede observerede plateauing af Moores lov.

I modsætning til tidligere rapporterede kvantebrøndsystemer, som kun kunne udvise kvantiseret kanttransport ved lave temperaturer, er den nylige observation af kvantiseret kanttransport ved 100 K i et forudsagt stort båndgab QSHI, monolag WTe₂ , har kastet mere lys over anvendelserne af QSHI.

"Selvom vi havde fået meget erfaring med at stable van der Waals (vdW) heterostrukturer, var fremstillingen af ​​monolag vdW-enheder stadig en udfordring for os," siger undersøgelsens førsteforfatter Dr. Cheng Tan.

"Fordi monolag WTe₂ nanoflakes er svære at opnå, vi fokuserede først på et mere modent materiale, grafen, for at udvikle den bedste måde at fremstille monolag WTe₂ vdW-enheder", siger Cheng, der er FLEET Research Fellow ved RMIT University i Melbourne.

Som monolaget WTe₂ nanoflakes er også meget følsomme over for luften, beskyttende 'suits of amours' lavet af inerte hBN nanoflakes bør bruges til at indkapsle dem. Derudover blev samlingen udført i en ilt- og vandfri handskeboks før serier af test udenfor. Efter nogle anstrengelser lykkedes det for teamet at fremstille monolaget WTe₂ enheder med gate-elektroder og observeret typisk transportadfærd for gated monolag WTe₂ .

"For materialer, der skal bruges i fremtidige spintroniske enheder, har vi brug for en metode til at bestemme spin-karakteristika, især rotationsretningen," siger Dr. Guolin Zheng (også hos RMIT).

"Men i monolag WTe₂ , spin-momentum-låsning (en væsentlig egenskab ved QSHI), og hvorvidt spin-kvantiseringsaksen i dens spiralformede kanttilstande kunne bestemmes, var endnu ikke blevet demonstreret eksperimentelt."

Anisotropisk magnetoresistens (AMR) er en effektiv transportmålingsmetode til at afsløre forholdet mellem elektronernes spin og momentum, når strømmen er spin-polariseret.

I betragtning af at kanttilstandene af en QSHI kun tillader transport af spin-polariserede elektroner, brugte holdet derefter AMR-målinger til at udforske den potentielle spin-momentumlåsning i kanttilstandene af monolag WTe₂ .

"Heldigvis fandt vi den rigtige metode til at håndtere monolaget WTe₂ nanoflakes," siger medforfatter Dr. Feixiang Xiang (UNSW). "Så så udførte vi vinkelafhængige transportmålinger for at udforske de potentielle spin-funktioner i kanttilstandene."

Udførelse af anisotrop magnetoresistens og definering af spin-kvantiseringsaksen

De topologiske kanttilstande er dog ikke den eneste mulige årsag til spin-momentum-låsning og AMR-effekter i planet i en QSHI. Rashba-opdeling kan også generere lignende effekter, hvilket kan gøre de eksperimentelle resultater uklare.

"Heldigvis inducerer topologiske kanttilstande og Rashba-opdeling meget forskellige gate-afhængige AMR-adfærd i planet, fordi båndstrukturen under disse to situationer stadig er meget forskellige." siger medforfatter prof Alex Hamilton (også ved UNSW).

"De fleste af prøverne viser, at minimum af AMR i planet sker, når magnetfeltet er næsten vinkelret på kantstrømmens retning." siger Cheng.

Yderligere teoretiske beregninger foretaget af samarbejdspartnere ved South China Normal University bekræftede yderligere, at elektronernes spins i randtilstandene af monolag WTe₂ bør altid være vinkelret på deres udbredelsesretninger, såkaldt 'spin-momentum locking'.

"Amplituderne af AMR i planet observeret i monolag WTe₂ er meget stor, op til 22 %", siger medforfatter A/Prof Lan Wang (også hos RMIT).

"Mens de tidligere amplituder af in-plane AMR i andre 3D topologiske isolatorer kun er omkring 1%. Ved AMR-målinger kan vi også præcist bestemme spin-kvantiseringsaksen for de spin-polariserede elektroner i kanttilstandene."

"Igen demonstrerer dette arbejde QSHI's lovende potentiale til at designe og udvikle nye spintroniske enheder og bevise AMR som et nyttigt værktøj til design og udvikling af QSHI-baserede spintronic-enheder, som er en af ​​de lovende ruter for FLEET til at realisere lav- energiudstyr i fremtiden." + Udforsk yderligere

Forskere afbilder ledende kanter i et lovende 2D-materiale