Una collaborazione internazionale guidata da RMIT pubblicata questa settimana ha osservato una grande magnetoresistenza anisotropica (AMR) nel piano in un isolante Hall di spin quantico e l'asse di quantizzazione dello spin degli stati marginali può essere ben definito.

Un isolante di spin Hall quantistico (QSHI) è uno stato della materia bidimensionale con una massa isolante e stati del bordo elicoidale non dissipativo che mostrano il bloccaggio del momento di rotazione, che sono opzioni promettenti per lo sviluppo di futuri dispositivi nanoelettronici e spintronici a bassa energia .

La collaborazione FLEET dei ricercatori dell'RMIT, dell'UNSW e della South China Normal University (Cina) conferma per la prima volta l'esistenza di grandi AMR in-plane nel monostrato WTe₂ che è un nuovo QSHI con temperature critiche più elevate.

Consentendo la conduzione elettrica senza spreco di energia, tali materiali potrebbero costituire la base di una nuova generazione futura di elettronica a bassissima energia.

Fabbricazione monostrato WTe₂ dispositivi

L'ascesa degli isolanti topologici ha offerto una speranza significativa ai ricercatori che cercano un trasporto non dissipativo e quindi una soluzione al già osservato plateau della legge di Moore.

A differenza dei sistemi di pozzi quantistici riportati in precedenza, che potevano esibire un trasporto del bordo quantizzato solo a basse temperature, la recente osservazione del trasporto del bordo quantizzato a 100 K in un QSHI con ampio gap di banda previsto, WTe monostrato₂ , ha fatto più luce sulle applicazioni di QSHI.

"Sebbene avessimo acquisito molta esperienza nell'impilamento di eterostrutture di van der Waals (vdW), la fabbricazione di dispositivi vdW monostrato era ancora una sfida per noi", afferma il primo autore dello studio, il dottor Cheng Tan.

"Perché monostrato WTe₂ i nanoflakes sono difficili da ottenere, in primo luogo ci siamo concentrati su un materiale più maturo, il grafene, per sviluppare il modo migliore per fabbricare WTe monostrato₂ dispositivi vdW", afferma Cheng, che è un Fellow Research Fellow presso la RMIT University di Melbourne.

Come il monostrato WTe₂ i nanoflakes sono anche molto sensibili all'aria, per incapsularli dovrebbero essere utilizzati "suit of amours" protettivi fatti di nanoflakes hBN inerti. Inoltre, l'assemblaggio è stato eseguito in un vano portaoggetti privo di ossigeno e acqua prima di una serie di test all'esterno. Dopo qualche sforzo, il team ha poi fabbricato con successo il monostrato WTe₂ dispositivi con elettrodi di gate e comportamenti di trasporto tipici osservati di WTe₂ gated monostrato .

"Affinché i materiali possano essere utilizzati nei futuri dispositivi spintronici, abbiamo bisogno di un metodo per determinare le caratteristiche di rotazione, in particolare la direzione della rotazione", afferma il dott. Guolin Zheng (anch'esso presso RMIT).

"Tuttavia, in monostrato WTe₂ , il bloccaggio dello spin-momentum (una proprietà essenziale di QSHI) e se fosse possibile determinare l'asse di quantizzazione dello spin nei suoi stati di bordo elicoidale doveva ancora essere dimostrato sperimentalmente."

La magnetoresistenza anisotropa (AMR) è un metodo di misurazione del trasporto efficace per rivelare la relazione tra lo spin degli elettroni e la quantità di moto quando la corrente è polarizzata in spin.

Considerando che gli stati marginali di un QSHI consentono solo il trasporto di elettroni spin-polarizzati, il team ha quindi utilizzato le misurazioni AMR per esplorare il potenziale blocco dello spin-momentum negli stati edge del monostrato WTe₂ .

"Fortunatamente, abbiamo trovato il metodo corretto per trattare il monostrato WTe₂ nanoflakes", afferma il coautore Dr. Feixiang Xiang (UNSW). "Quindi abbiamo eseguito misurazioni di trasporto dipendenti dall'angolo per esplorare le potenziali caratteristiche di spin negli stati edge".

Esecuzione della magnetoresistenza anisotropa e definizione dell'asse di quantizzazione dello spin

Tuttavia, gli stati dei bordi topologici non sono l'unica causa possibile per il bloccaggio del momento di rotazione e gli effetti AMR nel piano in un QSHI. La scissione di Rashba potrebbe anche generare effetti simili, il che potrebbe rendere poco chiari i risultati sperimentali.

"Fortunatamente, gli stati di bordo topologici e la scissione di Rashba inducono comportamenti AMR nel piano dipendenti dal gate molto diversi, perché la struttura della banda in queste due situazioni è ancora molto diversa". afferma il coautore, il prof. Alex Hamilton (anche all'UNSW).

"La maggior parte dei campioni mostra che il minimo di AMR nel piano si verifica quando il campo magnetico è quasi perpendicolare alla direzione della corrente di bordo". dice Cheng.

Ulteriori calcoli teorici dei collaboratori della South China Normal University hanno ulteriormente confermato che gli elettroni ruotano negli stati marginali del monostrato WTe₂ dovrebbero essere sempre perpendicolari alle loro direzioni di propagazione, il cosiddetto "blocco dello spin-momentum".

"Le ampiezze dell'AMR nel piano osservate nel monostrato WTe₂ è molto grande, fino al 22%", afferma il coautore A/Prof Lan Wang (anch'esso alla RMIT).

"Mentre le precedenti ampiezze dell'AMR nel piano in altri isolatori topologici 3D sono solo dell'1% circa. Mediante le misurazioni AMR, possiamo anche determinare con precisione l'asse di quantizzazione dello spin degli elettroni polarizzati di spin negli stati marginali."

"Ancora una volta, questo lavoro dimostra il potenziale promettente di QSHI per la progettazione e lo sviluppo di nuovi dispositivi spintronici e dimostra che l'AMR è uno strumento utile per la progettazione e lo sviluppo di dispositivi spintronici basati su QSHI, che sono una delle strade promettenti per la FLEET per realizzare bassi dispositivi energetici in futuro." + Esplora ulteriormente

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