Fig 1. En schematisk presentation av spin Hall -effekt i Weyl semimetal 1T ’WTe2, visar separationen av spinnpolariserade elektroner (upp och ner spinn) på ytorna på ett prov genom att bara passera en laddningsström. Upphovsman:Bing Zhao
Upptäckten av topologiska Weyl -halvmetaller 2017 har avslöjat möjligheter att förverkliga flera extraordinära fysiska fenomen inom kondenserad fysik. Nu, forskare vid Chalmers tekniska universitet har visat direkt elektrisk detektering av en stor snurr Hall -effekt i detta topologiska kvantmaterial. Weyl semimetal drar fördel av sin starka spin-orbit-koppling och nya topologiska spin-polariserade elektroniska tillstånd i sin bandstruktur. Dessa experimentella fynd kan bana väg för utnyttjande av spinnbana-inducerade fenomen för att utveckla nästa generations snabbare och energieffektiv informationsteknik och har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Fysisk granskningsforskning.
När vårt samhälle blir mer integrerat med artificiell intelligens (AI) och Internet-of-Things (IoT), efterfrågan på låg effekt, nanoskala, och högpresterande elektroniska enheter har ökat. Spintronic-enheter lovar för nästa generation av informationsteknik för att sänka strömförbrukningen samtidigt som prestandan och icke-flyktiga egenskaper ökar. Nyligen, den nuvarande inducerade magnetiseringsomkopplingen med spin-orbit-vridmoment (SOT) med hjälp av den grundläggande spin Hall-effekten identifieras som en viktig ingrediens för icke-flyktigt spintronic-minne och logiska enheter. SOT -mekanismen är särskilt användbar, som en spinnström kan genereras genom att bara passera en laddningsström i tungmetaller på grund av spin Hall -effekten, utan användning av ett externt magnetfält. Dock, det finns flera utmaningar relaterade till den begränsade omkopplingshastigheten och hög effektförbrukning i dessa enheter.
En grupp ledd av Saroj Dash, Docent vid Quantum Device Physics Laboratory på Chalmers, använda elektroniska apparater tillverkade av nytt topologiskt kvantmaterial, kallas Weyl -semimetaller, som är som en tredimensionell version av grafen men har en stark spinn-omloppsinteraktion och nya spinnpolariserade yt- och bulkelektroniska tillstånd i sin bandstruktur.
"Weyl semimetaller håller Weyl fermioniska tillstånd, som kännetecknas av en linjär spridning av Weyl -koner och Fermi -bågytor. På grund av monopolen som Berry-krökning i momentumutrymmet och stark interaktion med spinnbana, en unik spinntextur i Weyl -kottar och Fermi -bågytor förutses existera i sådana nya material, "säger Saroj Dash.
Forskarna på Chalmers utnyttjar sådana nya egenskaper för att elektriskt upptäcka en stor laddning-till-spinn-omvandling, dvs spin Hall -effekten, i en sådan Weyl -halvmetallkandidat WTe 2 vid rumstemperatur.
"Detektering av centrifugeringsströmmen som genereras av spin Hall -effekten i WTe 2 realiserades genom att göra enheter av van der Waals heterostruktur med grafen, utnyttjar dess skiktade strukturer och långa centrifugeringslängd i grafen och centrifugering vid heterostrukturgränssnittet, "förklarar doktoranden Bing Zhao som övervakas av Saroj Dash på MC2, Chalmers.
Saroj Dash fortsätter, "Våra detaljerade spinnkänsliga elektroniska mätningar, både i spinntransport och Hanle precessionsgeometrier, dess vinkel- och portberoende studier, och teoretiska beräkningar visar förekomsten av de stora och gate-tunable spin Hall-fenomenen i WTe 2 enheter vid rumstemperatur. Demonstrationen av en effektiv laddning-till-snurr konverteringsprocess i Weyl halvmetallkandidat WTe 2 vid rumstemperatur kan bana väg för dess användning inom spintronik och kvantteknik. "
Fig 2, vänster del:Schematisk bild av en uppmätt enhet som visar heterostrukturen för WTe2 med grafen (Gr) och en ferromagnetisk kontakt (FM) för mätning av spin Hall -effekt i WTe2. Insatserna i schemat visar bandstrukturerna i WTe2, grafen och strukturen vid gränssnittet. Fig 2, högra delen:Den elektriska motståndssignalen (Rs) mäts på grund av spin -Hall -effekten i WTe2. Spinnpolarisationen kan skapas genom att passera en ström i WTe2 och precession skapas genom att svepa ett vinkelrätt magnetfält, medan de injicerade snurrarna diffunderar i grafenkanalen. Upphovsman:Bing Zhao
Fördelarna med topologiska halvmetaller 1T 'WTe 2 är att den har en mängd intressanta egenskaper, som att det är ett van der Waals skiktade material, en Weyl -halvmetall i bulk med ett kiralt anomalt (negativt magnetoresistans) beteende, närvaro av kvantspinn Hall -tillstånd i monoskikt, och ny centrifugering av yta och bulk elektroniskt tillstånd som ger en stor ströminducerad spinnpolarisering.
Saroj Dash-gruppen syftar vidare till att använda sådana topologiska kvantmaterial för energieffektiva spintronic- och kvanttekniker genom att utnyttja deras elektroniska bandstruktur genom Berry-krökningsdesign och deras nya spintopologier.
"Sådan utveckling har en stor potential för att förverkliga ultrasnabb och lågeffektelektronik för nästa generations minne, logik, kommunikation, och kvantteknik, " han säger.
Forskningsarbetet görs i ett multinationellt samarbete mellan Chalmers tekniska universitet, Sverige; University of Science and Technology Beijing, Kina; Weizmann Institute of Science, Israel; och Max Planck Institute i Dresden, Tyskland.
