Schemi della corrente di spin su una superficie isolante topologica, con la direzione di rotazione (S) perpendicolare alla direzione corrente (kx). Lo schema di ingrandimento mostra la struttura a bande elettroniche sulla superficie dell'isolatore topologico. La polarizzazione di spin sulla superficie dell'isolante topologico è sondata elettricamente da un contatto a tunnel ferromagnetico (FM). Credito:André Dankert
I ricercatori della Chalmers University of Technology hanno riportato per la prima volta il rilevamento elettrico della corrente di spin su superfici isolanti topologiche a temperatura ambiente utilizzando un rilevatore ferromagnetico. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nano Letters.
I materiali allo stato solido erano convenzionalmente suddivisi in tre diverse classi quali conduttori, semiconduttori e isolanti. Recentemente, è stata proposta e realizzata una nuova classe di materiali, denominati "isolatori topologici", dove entrambe le proprietà isolanti e conduttive possono coesistere nello stesso materiale.
Gli isolanti topologici sono isolanti all'interno della massa, ma conducono sulle loro superfici con minore resistenza rispetto ai materiali convenzionali. Ciò è possibile grazie alla loro interazione straordinariamente forte tra lo spin degli elettroni e il momento angolare orbitale con la loro simmetria di inversione temporale. L'interazione è così forte che il momento angolare di spin degli elettroni è bloccato perpendicolarmente al loro momento, e genera una corrente polarizzata di spin spontanea sulle superfici degli isolanti topologici applicando un campo elettrico.
Questi elettroni conduttori di spin polarizzati sulla superficie non hanno massa e sono estremamente robusti contro la maggior parte delle perturbazioni dovute a difetti o impurità, e può consentire la propagazione di correnti di spin senza dissipazione.
I ricercatori di Chalmers hanno rilevato elettricamente la corrente di spin superficiale su un isolante topologico chiamato seleniuro di bismuto (Bi 2 Vedi 3 ) per la prima volta a temperatura ambiente impiegando contatti tunnel ferromagnetici. Tali contatti sono noti per essere molto sensibili alla polarizzazione di spin e sondare il Bi 2 Vedi 3 superficie misurando la magnetoresistenza dovuta all'allineamento parallelo e antiparallelo della corrente di spin e della direzione di magnetizzazione del ferromagnete.
"I fattori chiave per questi risultati a temperatura ambiente sono cristalli isolanti topologici di buona qualità e contatti tunnel ferromagnetici sensibili allo spin preparati con cura mediante nanofabbricazione in camera bianca", spiega il dottor André Dankert, l'autore principale dell'articolo.
I rapporti precedenti in questo campo di ricerca erano limitati solo alle misurazioni a temperature criogeniche. Dai risultati sulla grandezza del segnale di spin, il suo segno, ed esperimenti di controllo, utilizzando diverse configurazioni di misurazione, angoli e condizioni di interfaccia, l'autore esclude altri effetti fisici noti.
"I nostri risultati mostrano l'accessibilità elettrica delle correnti di spin su superfici isolanti topologiche fino a temperatura ambiente e aprono la strada a ulteriori sviluppi, che può essere utile per l'elaborazione delle informazioni basata sullo spin in futuro", afferma il professore associato Saroj Dash, chi guida il gruppo di ricerca.
Però, Saroj Dash avverte che la ricerca sullo sviluppo di questi nuovi materiali di classe e tecniche di misurazione è ancora nella sua fase iniziale e sono necessari ulteriori esperimenti per un'ulteriore comprensione.
