Schema av spinnströmmen på en topologisk isolatoryta, med spinnriktningen (S) vinkelrät mot strömriktningen (kx). Inzoomningsschemat visar den elektroniska bandstrukturen på ytan av den topologiska isolatorn. Spinnpolariseringen på topologisk isolatoryta undersöks elektriskt av en ferromagnetisk tunnelkontakt (FM). Kredit:André Dankert
Forskare vid Chalmers tekniska högskola har för första gången rapporterat elektrisk detektering av spinnström på topologiska isolatorytor vid rumstemperatur genom att använda en ferromagnetisk detektor. Resultaten har publicerats i tidskriften Nano Letters.
Fasttillståndsmaterial var konventionellt indelade i tre olika klasser såsom ledare, halvledare och isolatorer. Nyligen, en ny klass av material har föreslagits och realiserats, kallas "topologiska isolatorer", där både de isolerande och ledande egenskaperna kan samexistera i samma material.
Topologiska isolatorer är isolatorer inne i bulken, men leder på sina ytor med mindre motstånd än de konventionella materialen. Detta är möjligt på grund av deras unikt starka växelverkan mellan elektronernas spinn och orbitala vinkelmomentum med deras tidsomkastningssymmetri. Interaktionen är så stark att elektronernas rotationsmomentum låses vinkelrätt mot deras momentum, och genererar en spontan spinnpolariserad ström på ytorna av topologiska isolatorer genom att applicera ett elektriskt fält.
Dessa spinnpolariserade ledande elektroner på ytan har ingen massa och är extremt robusta mot de flesta störningar från defekter eller föroreningar, och kan möjliggöra utbredning av avledningsfria spinnströmmar.
Forskarna från Chalmers upptäckte ytspinnströmmen elektriskt på en topologisk isolator som kallas vismutselenid (Bi) 2 Se 3 ) för första gången vid rumstemperatur med användning av ferromagnetiska tunnelkontakter. Sådana kontakter är kända för att vara mycket känsliga för spinnpolarisering och sondera Bi 2 Se 3 ytan genom att mäta magnetoresistansen på grund av parallell och antiparallell inriktning av spinnströmmen och ferromagnetens magnetiseringsriktning.
"Nyckelfaktorerna för dessa rumstemperaturresultat är topologiska isolatorkristaller av god kvalitet och spinnkänsliga ferromagnetiska tunnelkontakter noggrant förberedda genom nanotillverkning i renrum", förklarar Dr André Dankert, tidningens huvudförfattare.
Tidigare rapporter inom detta forskningsfält var endast begränsade till mätningar vid kryogena temperaturer. Från resultaten av spinsignalens storlek, dess tecken, och kontrollexperiment, använder olika mätkonfigurationer, vinklar och gränssnittsförhållanden, författaren utesluter andra kända fysiska effekter.
"Våra resultat visar den elektriska tillgängligheten för spinnströmmar på topologiska isolatorytor upp till rumstemperatur och banar väg för vidare utveckling, vilket kan vara användbart för spinnbaserad informationsbehandling i framtiden", säger docent Saroj Dash, som leder forskargruppen.
Dock, Saroj Dash varnar för att forskningen om utveckling av dessa nya klassmaterial och mättekniker fortfarande är i ett tidigt skede och att fler experiment krävs för ytterligare förståelse.
