Schema che mostra (a sinistra) l'effetto Hall di spin convenzionale (SHE) in cui la corrente di carica lungo l'asse y genera una corrente di spin lungo l'asse x (con la polarizzazione di spin indicata dalla pallina rossa con la freccia). (A destra) SHE planare recentemente osservato in MoTe2 che converte la corrente di carica in corrente di spin di lunga durata. La polarizzazione di spin e la corrente di carica sono collineari, invece che ortogonale. Credito:Università Nazionale di Singapore
Lo spin è una proprietà quantistica fondamentale che influenza una serie di fenomeni fisici e chimici ad esso associati. L'uso della proprietà di spin di un materiale per trasportare la corrente ha applicazioni nel trasferimento di dati a velocità molto più elevate, Per esempio, e raggiunge una migliore efficienza energetica rispetto ai dispositivi tradizionali che si basano su cariche elettriche. Però, ciò richiede un materiale in grado di generare una corrente di spin pura di lunga durata con elevata efficienza.
Un team guidato dal Prof LOH Kian Ping, Dipartimento di Chimica e Centro per i materiali 2-D avanzati, NU, ha identificato uno di questi promettenti candidati sotto forma di ditelluride di molibdeno semimetallico sottile a pochi strati (MoTe 2 ). Un semimetallo è un materiale con una sovrapposizione molto piccola tra la parte inferiore della banda di conduzione e la parte superiore della banda di valenza. Ha proprietà materiali intermedie tra quelle dei metalli e dei semiconduttori.
Il team ha fatto affidamento sul cosiddetto effetto Hall di spin intrinseco (SHE) in MoTe 2 , che converte la corrente di carica in pura corrente di spin senza un forte campo magnetico o complicati metodi di eccitazione. Nei materiali convenzionali, LEI soffre di due limitazioni. Uno è il compromesso tra l'efficienza di conversione carica-spin e la lunghezza di diffusione dello spin. Un altro è il vincolo geometrico che richiede il flusso di corrente di carica, la corrente di spin e la polarizzazione di spin devono essere reciprocamente ortogonali. Quest'ultimo limita le configurazioni del dispositivo in cui la corrente di spin può essere utilizzata per cambiare l'orientamento di uno strato magnetico nei dispositivi magnetici.
Il professor Loh ha detto, "Abbiamo scoperto che entrambe le limitazioni possono essere superate abbassando la simmetria del semimetallo MoTe 2 cristallo. In pratica, questo richiede semplicemente il MoTe 2 cristallo da assottigliare allo spessore di pochi strati."
Dott. SONG Peng, il primo autore del saggio, ottenuto campioni atomicamente sottili utilizzando il metodo di esfoliazione dello scotch-tape e fabbricato i dispositivi per studiare la conversione da carica a spin. Utilizzando un elettrodo non magnetico per iniettare cariche nel campione, è stato in grado di generare pura corrente di spin e misurare la sua lunghezza di diffusione nel materiale. È stata ottenuta un'efficienza di conversione carica-spin di circa il 30% e una lunghezza di diffusione dello spin di circa 2 μm. La combinazione di entrambe le caratteristiche è molto rara e non è stata osservata in altri materiali, tra cui platino e arseniuro di gallio.
Il team ha spiegato che l'innovazione risiede nella rottura della simmetria insieme alla riduzione della dimensionalità del cristallo. L'accoppiamento spin-orbita, che è responsabile della corrente di spin, mostra un comportamento insolito in MoTe . atomicamente sottile 2 . Oltre a generare in modo efficiente la corrente di spin, aiuta anche la corrente di spin a propagarsi a una distanza di 2 um, che è molto più lunga della lunghezza di diffusione dello spin (circa 10 nm) che si trova nei metalli di spin Hall comunemente studiati, come platino e tungsteno.
Inoltre, il team ha identificato una nuova forma di SHE, che hanno chiamato Planar SHE per denotare il fatto che la polarizzazione di spin e la corrente di carica possono essere collineari anziché ortogonali. La riduzione della simmetria del cristallo è responsabile della generazione di SHE planari. Tale effetto può essere applicato per commutare la magnetizzazione nelle giunzioni tunnel magnetiche utilizzando l'effetto della coppia di trasferimento di spin.
"Il nostro studio non solo ha identificato un materiale promettente per futuri dispositivi efficienti dal punto di vista energetico, ma scopre anche il concetto che la riduzione della simmetria può essere una potente strategia per manipolare gli effetti legati allo spin-orbita, " ha aggiunto il prof.
Prossimo, il team prevede di incorporare questo materiale in dispositivi funzionali, come la memoria ad accesso casuale, per potenziali applicazioni nel mondo reale.
Lo studio è pubblicato su Materiali della natura .
