Spinn är en grundläggande kvantegenskap som påverkar en rad fysiska och kemiska fenomen som är förknippade med den. Att använda ett materials spin-egenskap för att överföra ström har tillämpningar för att överföra data med mycket högre hastighet, till exempel, och uppnår bättre energieffektivitet än traditionella enheter som är beroende av elektriska laddningar. Dock, detta kräver ett material som kan generera långlivad ren spinnström med hög effektivitet.

Ett team ledd av professor LOH Kian Ping, Institutionen för kemi och Centrum för avancerade 2D-material, NUS, har identifierat en sådan lovande kandidat i form av fålagers tunn semimetallmolybdenditellurid (MoTe ₂ ). En halvmetall är ett material med en mycket liten överlappning mellan botten av ledningsbandet och toppen av valensbandet. Den har materialegenskaper som ligger mellan de för metaller och halvledare.

Teamet förlitade sig på den så kallade intrinsic spin Hall-effekten (SHE) i MoTe ₂ , som omvandlar laddningsström till ren spinnström utan starkt magnetfält eller komplicerade excitationsmetoder. I konventionella material, HON lider av två begränsningar. Den ena är avvägningen mellan laddnings-spinn-omvandlingseffektiviteten och spinns diffusionslängd. En annan är den geometriska begränsningen som kräver flödet av laddningsström, spinnström och spinnpolarisation för att vara ömsesidigt ortogonala mot varandra. Det senare begränsar enhetskonfigurationerna där spinnström kan användas för att ändra orienteringen av ett magnetiskt lager i magnetiska enheter.

Prof Loh sa, "Vi upptäckte att båda begränsningarna kan övervinnas genom att sänka symmetrin hos semimetal MoTe ₂ kristall. I praktiken, detta kräver helt enkelt MoTe ₂ kristall som ska förtunnas till några lagers tjocklek."

Dr SONG Peng, tidningens första författare, erhöll atomärt tunna prover med scotch-tejp-exfolieringsmetoden och tillverkade enheterna för att studera laddning-till-spin-konvertering. Genom att använda en icke-magnetisk elektrod för att injicera laddningar i provet, han kunde generera ren spinnström och mäta dess diffusionslängd i materialet. En laddning-spin-omvandlingseffektivitet på cirka 30 % och en spindiffusionslängd på cirka 2 μm erhölls. Kombinationen av båda egenskaperna är mycket sällsynt och har inte observerats i andra material, inklusive platina och galliumarsenid.

Teamet förklarade att innovationen ligger i att symmetrin bryts tillsammans med minskningen av kristalldimensionalitet. Spin-omloppskopplingen, som är ansvarig för spinnströmmen, uppvisar ovanligt beteende i atomärt tunna MoTe ₂ . Förutom att generera spinström effektivt, det hjälper också spinnströmmen att fortplanta sig ett avstånd på 2 um, som är mycket längre än spindiffusionslängden (cirka 10 nm) som finns i vanligt studerade spin Hall-metaller, såsom platina och volfram.

Dessutom, teamet identifierade en ny form av SHE, som de kallade Planar SHE för att beteckna det faktum att spinnpolarisation och laddningsström kan vara kolinjär istället för ortogonal. Reduktion av kristallsymmetrin är ansvarig för att generera plan SHE. En sådan effekt kan appliceras för att koppla magnetisering i magnetiska tunnelövergångar med användning av vridmomenteffekten för spinnöverföring.

"Vår studie identifierade inte bara ett lovande material för framtida energieffektiva enheter, men avslöjar också konceptet att symmetrireduktion kan vara en kraftfull strategi för att manipulera spin-omloppsrelaterade effekter, " tillade prof Loh.

Nästa, teamet planerar att införliva detta material i funktionella enheter, som till exempel random access memory, för potentiella tillämpningar i den verkliga världen.

Studien publiceras i Naturmaterial .