Fig 1. Una presentazione schematica dell'effetto Hall di spin nel semimetallo Weyl 1T' WTe2, che mostra la separazione degli elettroni con spin polarizzato (spin su e giù) sulle superfici di un campione semplicemente facendo passare una corrente di carica. Attestazione:Bing Zhao
La scoperta dei semimetalli Weyl topologici nel 2017 ha rivelato opportunità per realizzare diversi fenomeni fisici straordinari nella fisica della materia condensata. Ora, i ricercatori della Chalmers University of Technology hanno dimostrato il rilevamento elettrico diretto di un grande effetto Hall di spin in questo materiale quantistico topologico. Il semimetallo Weyl sfrutta il suo forte accoppiamento spin-orbita e nuovi stati elettronici spin-polarizzati topologici nella sua struttura a bande. Questi risultati sperimentali possono aprire la strada all'utilizzo dei fenomeni indotti dallo spin-orbita nello sviluppo della prossima generazione di tecnologie dell'informazione più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico e sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Ricerca di revisione fisica.
Poiché la nostra società sta diventando sempre più integrata con l'intelligenza artificiale (AI) e l'Internet delle cose (IoT), la domanda di bassa potenza, nanoscala, e i dispositivi elettronici ad alte prestazioni sono in aumento. I dispositivi Spintronic sono promettenti per la prossima generazione di tecnologie dell'informazione al fine di ridurre il consumo energetico aumentando le prestazioni e le proprietà non volatili. Recentemente, la commutazione della magnetizzazione indotta dalla corrente mediante coppia spin-orbita (SOT) utilizzando l'effetto Hall di spin di base è identificata come un ingrediente vitale per la memoria spintronica non volatile e i dispositivi logici. Il meccanismo SOT è particolarmente utile, poiché una corrente di spin può essere generata semplicemente facendo passare una corrente di carica nei metalli pesanti a causa dell'effetto di spin Hall, senza l'uso di un campo magnetico esterno. Però, ci sono diverse sfide legate alla velocità di commutazione limitata e al consumo elevato di questi dispositivi.
Un gruppo guidato da Saroj Dash, Professore Associato presso il Laboratorio di Fisica dei Dispositivi Quantistici di Chalmers, dispositivi elettronici usati realizzati con un nuovo materiale quantistico topologico, chiamati semimetalli Weyl, che è come una versione tridimensionale del grafene ma ha una forte interazione spin-orbita e nuovi stati elettronici di superficie e bulk spin-polarizzati nella loro struttura a bande.
"I semimetalli di Weyl contengono stati fermionici di Weyl, che sono caratterizzati da una dispersione lineare dei coni di Weyl e degli stati superficiali dell'arco di Fermi. A causa del monopolio come la curvatura di Berry nello spazio del momento e della forte interazione spin-orbita, si prevede che in questi nuovi materiali esista una trama di spin unica nei coni di Weyl e negli stati superficiali dell'arco di Fermi, "dice Saroj Dash.
I ricercatori di Chalmers sfruttano queste nuove proprietà per rilevare elettricamente una grande conversione da carica a spin, cioè l'effetto Hall di spin, in un tale candidato semimetallico Weyl WTe 2 a temperatura ambiente.
"Il rilevamento della corrente di spin generata dall'effetto Hall di spin in WTe 2 è stato realizzato realizzando dispositivi di eterostruttura di van der Waals con grafene, sfruttando le sue strutture a strati e la lunga lunghezza di coerenza di spin nel grafene e la trasmissione di spin all'interfaccia dell'eterostruttura, " spiega il dottorando Bing Zhao che è supervisionato da Saroj Dash all'MC2, Chalmers.
Saroj Dash continua, "Le nostre dettagliate misurazioni elettroniche sensibili allo spin, sia nel trasporto di spin che nelle geometrie di precessione di Hanle, i suoi studi dipendenti dall'angolo e dalla porta, e calcoli teorici manifestano l'esistenza dei grandi fenomeni di spin Hall sintonizzabili su gate in WTe 2 dispositivi a temperatura ambiente. La dimostrazione di un efficiente processo di conversione da carica a spin nel candidato semimetallico Weyl WTe 2 a temperatura ambiente può aprire la strada al suo utilizzo nella spintronica e nelle tecnologie quantistiche".
Fig 2, parte sinistra:Schema di un dispositivo misurato che mostra l'eterostruttura di WTe2 con grafene (Gr) e un contatto ferromagnetico (FM) per la misura dell'effetto Hall di spin in WTe2. I riquadri negli schemi mostrano le strutture a bande del WTe2, grafene e la struttura all'interfaccia. Fig 2, parte destra:Il segnale di resistenza elettrica (Rs) viene misurato a causa dell'effetto Hall di spin in WTe2. La polarizzazione di spin può essere creata facendo passare una corrente in WTe2 e la precessione viene creata spazzando un campo magnetico perpendicolare, mentre gli spin iniettati si diffondono nel canale del grafene. Attestazione:Bing Zhao
I vantaggi dei semimetalli topologici 1T' WTe 2 è che ha una moltitudine di proprietà interessanti, come è un materiale stratificato van der Waals, un semimetallo Weyl sfuso con comportamento chirale anomalo (magnetoresistenza negativa), presenza di stati di Hall di spin quantistico nei monostrati, e una nuova struttura di spin dello stato elettronico di superficie e di massa che fornisce una grande polarizzazione di spin indotta dalla corrente.
Il gruppo Saroj Dash mira inoltre a utilizzare tali materiali quantistici topologici per tecnologie spintroniche e quantistiche efficienti dal punto di vista energetico sfruttando la loro struttura a bande elettroniche attraverso il design della curvatura di Berry e le loro nuove topologie di spin.
"Tali sviluppi hanno un grande potenziale per realizzare un'elettronica ultraveloce e a bassa potenza per la prossima generazione di memorie, logica, comunicazione, e tecnologie quantistiche, " lui dice.
Il lavoro di ricerca è svolto in una collaborazione multinazionale tra Chalmers University of Technology, Svezia; Università della Scienza e della Tecnologia di Pechino, Cina; Istituto di scienze Weizmann, Israele; e l'Istituto Max Planck di Dresda, Germania.
