L'effetto magnetoresistenza è la tendenza di un materiale a modificare il valore della sua resistenza elettrica in un campo magnetico applicato esternamente. È stato ampiamente applicato nei sensori e nelle testine dei dischi rigidi. Finora, non è stato stabilito alcun legame tra la magnetoresistenza esistente e la trama di spin dei materiali polarizzati con spin. I ricercatori della National University of Singapore (NUS) hanno recentemente fatto un passo avanti in questo campo, rivelando una stretta relazione tra la tessitura di spin degli stati di superficie topologici (TSS) e un nuovo tipo di magnetoresistenza.

Questo progresso fondamentale è realizzato in collaborazione con ricercatori dell'Università del Missouri, Stati Uniti. Il team di ricerca ha osservato per la prima volta una nuova magnetoresistenza negli isolanti topologici (TI) tridimensionali (3-D), che scala linearmente con entrambi i campi elettrici e magnetici applicati, e mostra uno stretto legame con le trame di spin nel piano e fuori dal piano di TSS. La scoperta del team potrebbe aiutare ad affrontare il problema della selezione della sorgente di corrente di spin spesso affrontato nello sviluppo di dispositivi spintronici.

Il gruppo di ricerca, guidato dal Professore Associato Yang Hyunsoo del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica presso la Facoltà di Ingegneria della NUS, hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Fisica della natura .

Nuova magnetoresistenza trovata in 3-D TI

La scoperta delle TI 3-D ha suscitato grande interesse tra i ricercatori internazionali, che ora cercano di comprendere le proprietà fisiche di questo nuovo stato della materia ed esplorano le sue applicazioni in optoelettronica e spintronica. Finora, la magnetoresistenza trovata nei TI 3-D è indipendente dalla corrente, riflette una risposta lineare del trasporto di elettroni a un campo elettrico applicato. Allo stesso tempo, esiste un ostacolo al trasporto nel rilevare le proprietà della superficie, a causa del notevole contributo di massa, che travolge le risposte di superficie.

"In questo lavoro, abbiamo osservato la magnetoresistenza non lineare del secondo ordine in un prototipo 3-D TI Bi2Se3 film, e ha mostrato che è sensibile a TSS. A differenza della magnetoresistenza convenzionale, questa nuova magnetoresistenza mostra una dipendenza lineare sia dai campi elettrici che magnetici applicati, " ha detto il dottor He Pan, che è il primo autore dello studio e un Research Fellow presso il Dipartimento.

Assoc Prof Yang ha aggiunto, "Calcoli teorici dei nostri collaboratori dell'Università del Missouri hanno rivelato che la resistenza magnetoelettrica bilineare ha origine dal TSS bloccato dallo spin-momento con deformazione esagonale. Dal punto di vista dell'origine microscopica, è un processo fondamentalmente nuovo per quanto riguarda la conversione di una corrente di spin non lineare in una corrente di carica sotto il campo magnetico esterno."

Nuova tecnica per sondare la trama di spin 3-D

Sondare la trama di spin superficiale è di fondamentale importanza per lo sviluppo di dispositivi spintronici basati su TI. Però, l'approccio eseguito fino ad oggi è altamente limitato a strumenti sofisticati come la spettroscopia di fotoemissione.

La nuova resistenza magnetoelettrica osservata dal team di ricerca fornisce un nuovo percorso per rilevare la trama di spin 3-D in TSS mediante una semplice misurazione del trasporto elettrico senza coinvolgere strati ferromagnetici aggiuntivi. Lo studio del team ha anche rivelato l'effetto di deformazione esagonale in TSS, che in precedenza poteva essere determinata solo mediante spettroscopia di fotoemissione.

Commentando il significato della svolta, Il dottor He Pan ha detto:"I nostri risultati possono essere applicati a famiglie estese di materiali altamente spin-polarizzati, come i sistemi Rashba/Dresselhaus e i dicalcogenuri di metalli di transizione bidimensionali con stati spin-polarizzati. Fornisce inoltre un nuovo percorso per rilevare la trama di spin 3-D di questi materiali mediante una semplice misurazione del trasporto".

Andando avanti, L'Assoc Prof Yang e il suo team stanno conducendo esperimenti per aumentare l'entità della nuova magnetoresistenza perfezionando i materiali TI e lo spessore del film. Stanno anche pianificando di incorporare e testare la tecnologia in diversi materiali. Il team spera di lavorare con i partner del settore per esplorare varie applicazioni con la nuova magnetoresistenza.