Vänster:monolager WTe2-enhet (skalbar =5um). Höger:Grindberoende konduktans vid varierande temperaturer. Kredit:Nano Letters
Ett RMIT-ledt, internationellt samarbete som publicerades denna vecka har observerat stor anisotropisk magnetoresistans i planet (AMR) i en kvantspinn Hall-isolator och spinnkvantiseringsaxeln för kanttillstånden kan vara väldefinierad.
En quantum spin Hall isolator (QSHIs) är ett tvådimensionellt tillstånd av materia med en isolerande bulk och icke-avledande spiralformade kanttillstånd som visar spin-momentum låsning, vilket är lovande alternativ för att utveckla framtida lågenergi nano-elektroniska och spintroniska enheter .
FLEET-samarbetet mellan forskare vid RMIT, UNSW och South China Normal University (Kina) bekräftar för första gången förekomsten av stor AMR i planet i monolager WTe2 som är en ny QSHI med högre kritiska temperaturer.
Genom att tillåta elektrisk ledning utan slöseri med energi kan sådana material utgöra grunden för en ny framtida generation av ultralågenergielektronik.
Tillverkning av monolager WTe2 enheter
Framväxten av topologiska isolatorer har gett betydande hopp för forskare som söker icke-avsöndrande transport, och därmed en lösning på den redan observerade platån av Moores lag.
Till skillnad från tidigare rapporterade kvantbrunnssystem, som endast kunde uppvisa kvantiserad kanttransport vid låga temperaturer, den senaste observationen av kvantiserad kanttransport vid 100 K i ett förutsagt stort bandgap QSHI, monolager WTe2 , har kastat mer ljus över tillämpningarna av QSHI.
"Även om vi hade fått mycket erfarenhet av att stapla van der Waals (vdW) heterostrukturer, var tillverkningen av monolager vdW-enheter fortfarande en utmaning för oss", säger studiens första författare Dr. Cheng Tan.
"Eftersom monolager WTe2 nanoflingor är svåra att få tag på, vi fokuserade först på ett mer moget material, grafen, för att utveckla det bästa sättet att tillverka monolager WTe2 vdW-enheter", säger Cheng, som är FLEET Research Fellow vid RMIT University i Melbourne.
Som monolager WTe2 nanoflingor är också mycket känsliga för luften, skyddande "suits of amours" gjorda av inerta hBN-nanoflingor bör användas för att kapsla in dem. Dessutom utfördes monteringen i ett syre- och vattenfritt handskfack innan serier av tester utanför. Efter lite ansträngning tillverkade teamet sedan framgångsrikt monoskiktet WTe2 enheter med grindelektroder och observerade typiska transportbeteenden för gated monolager WTe2 .
"För material som ska användas i framtida spintroniska enheter behöver vi en metod för att bestämma spinnegenskaper, i synnerhet spinnriktningen", säger Dr. Guolin Zheng (även vid RMIT).
När monolager WTe2-enhet (vänster) lutas i riktning i planet, varierar AMR (höger) med lutningsvinkeln, visad vid varierande magnetfält, och når ett minimalt värde när magnetfältet är vinkelrätt mot kantströmriktningen. Kredit:Nano Letters
"Men i monolager WTe2 , spin-momentum-låsning (en väsentlig egenskap hos QSHI) och huruvida spinnkvantiseringsaxeln i dess spiralformade kanttillstånd kunde bestämmas hade ännu inte demonstrerats experimentellt."
Anisotropisk magnetoresistans (AMR) är en effektiv transportmätningsmetod för att avslöja sambandet mellan elektronernas spinn och momentum när strömmen är spinnpolariserad.
Med tanke på att kanttillstånden för en QSHI endast tillåter transport av spinnpolariserade elektroner, använde teamet sedan AMR-mätningar för att utforska den potentiella spin-momentumlåsningen i kanttillstånden för monolager WTe2 .
"Lyckligtvis hittade vi den rätta metoden för att hantera monoskiktet WTe2 nanoflakes", säger medförfattaren Dr. Feixiang Xiang (UNSW). "Så då utförde vi vinkelberoende transportmätningar för att utforska de potentiella spinnegenskaperna i kanttillstånden."
Utför anisotrop magnetoresistans och definierar spinnkvantiseringsaxeln
De topologiska kanttillstånden är dock inte den enda möjliga orsaken till spin-momentum-låsning och AMR-effekter i planet i en QSHI. Rashba-delning kan också generera liknande effekter, vilket kan göra experimentresultaten otydliga.
"Lyckligtvis inducerar topologiska kanttillstånd och Rashba-delning väldigt olika grindberoende AMR-beteenden i planet, eftersom bandstrukturen under dessa två situationer fortfarande är väldigt olika." säger medförfattaren Prof Alex Hamilton (även vid UNSW).
"De flesta av proverna visar att minimum av AMR i planet inträffar när magnetfältet är nästan vinkelrätt mot kantströmriktningen." säger Cheng.
Ytterligare teoretiska beräkningar av medarbetare vid South China Normal University bekräftade ytterligare att elektronernas snurr i kanttillstånden för monolager WTe2 bör alltid vara vinkelrät mot deras utbredningsriktningar, så kallad "spin-momentum locking."
"Amplituderna för AMR i planet observerade i monolager WTe2 är mycket stor, upp till 22 %", säger medförfattaren A/Prof Lan Wang (även på RMIT).
"Medan de tidigare amplituderna för AMR i planet i andra 3D-topologiska isolatorer bara är runt 1%. Genom AMR-mätningar kan vi också exakt bestämma spinnkvantiseringsaxeln för de spinnpolariserade elektronerna i kanttillstånden."
"Återigen, detta arbete visar den lovande potentialen hos QSHI för att designa och utveckla nya spintroniska enheter och bevisa AMR som ett användbart verktyg för design och utveckling av QSHI-baserade spintronic-enheter, som är en av de lovande vägarna för FLEET att realisera låg- energiapparater i framtiden." + Utforska vidare
