Magnetoresistanseffekten är ett materials tendens att ändra värdet på dess elektriska motstånd i ett externt applicerat magnetfält. Det har använts i stor utsträckning i sensorer och hårddiskhuvuden. Än så länge, ingen koppling har upprättats mellan den befintliga magnetoresistansen och centrifugeringen av spinnpolariserade material. Forskare från National University of Singapore (NUS) har nyligen gjort ett genombrott inom detta område, avslöjar ett nära samband mellan spinnstrukturen i topologiska yttillstånd (TSS) och en ny typ av magnetoresistans.

Denna grundläggande framsteg uppnås i samarbete med forskare från University of Missouri, Förenta staterna. Forskargruppen observerade för första gången en ny magnetoresistans i tredimensionella (3-D) topologiska isolatorer (TI), som skalar linjärt med både de applicerade elektriska och magnetiska fälten, och visar en nära länk till in-planet och out-of-plane spin-strukturer för TSS. Teamets upptäckt kan hjälpa till att ta itu med frågan om val av spinnströmskälla som ofta står inför i utvecklingen av spintronic -enheter.

Forskargruppen, ledd av docent Yang Hyunsoo från Institutionen för el- och datateknik vid NUS tekniska fakultet, publicerade sina fynd i tidningen Naturfysik .

Ny magnetoresistans hittad i 3D-TI

Upptäckten av 3D-TI har genererat stort intresse bland internationella forskare, som nu försöker förstå de fysiska egenskaperna hos detta nya materiella tillstånd och utforska dess tillämpningar inom optoelektronik och spintronik. Än så länge, magnetoresistansen som finns i 3D-TI är strömoberoende, som återspeglar ett linjärt svar av elektrontransporten till ett applicerat elektriskt fält. På samma gång, det finns ett transporthinder för att detektera ytegenskaperna, på grund av det betydande bulkbidraget, som överväldigar ytresponserna.

"I det här arbetet, vi observerade andra ordningens olinjära magnetoresistans i en prototypisk 3D-TI Bi2Se3-film, och visade att det är känsligt för TSS. I motsats till konventionell magnetoresistans, denna nya magnetoresistans visar ett linjärt beroende av både de applicerade elektriska och magnetiska fälten, "sa Dr. He Pan, som är den första författaren till studien och forskare vid institutionen.

Assoc Prof Yang tillade, "Teoretiska beräkningar av våra samarbetspartners från University of Missouri avslöjade att det bilinjära magnetoelektriska motståndet härrör från spin-momentum låst TSS med sexkantig vridning. Ur mikroskopiskt ursprung, det är en grundläggande ny process när det gäller omvandling av en olinjär spinnström till en laddningsström under det yttre magnetfältet. "

Ny teknik för att undersöka 3D-spinnstruktur

Att undersöka ytspinnstrukturen är av avgörande betydelse för utvecklingen av TI-baserade spintronic-enheter. Dock, tillvägagångssättet som hittills utförts är mycket begränsat till sofistikerade verktyg som fotoemissionsspektroskopi.

Det nya magnetoelektriska motståndet som observerats av forskargruppen ger en ny väg för att detektera 3D-spinnstrukturen i TSS genom en enkel elektrisk transportmätning utan att behöva lägga till ytterligare ferromagnetiska lager. Teamets studie avslöjade också den sexkantiga vridningseffekten i TSS, som tidigare endast kunde bestämmas med fotoemissionsspektroskopi.

Kommenterar betydelsen av genombrottet, Dr He Pan sa:"Våra resultat kan tillämpas på utökade familjer med mycket spinnpolariserade material, som Rashba/Dresselhaus-system samt tvådimensionella övergångsmetalldikalkogenider med spinnpolariserade tillstånd. Det ger också en ny väg för att upptäcka 3D-spinnstrukturen för dessa material genom en enkel transportmätning. "

Går vidare, Assoc Prof Yang och hans team genomför experiment för att öka storleken på den nya magnetoresistansen genom att förfina TI -materialen och filmtjockleken. De planerar också att införliva och testa tekniken i olika material. Teamet hoppas kunna arbeta med branschpartner för att utforska olika applikationer med den nya magnetoresistansen.