為未來的自旋電子學量化WTe2中的自旋

本周發表的一項由RMIT領導的國際合作在量子自旋霍爾絕緣體中觀察到大的面內各向異性磁阻(AMR)，并且邊緣態的自旋量子化軸可以明確定義。

量子自旋霍爾絕緣體(QSHIs)是一種二維物質狀態，具有絕緣體和非耗散螺旋邊緣狀態，顯示自旋動量鎖定，這是開發未來低能納米電子和自旋電子器件的有前景的選擇.

RMIT、新南威爾士大學和華南師范大學(中國)研究人員的FLEET合作首次證實了單層WTe2中存在大的面內AMR，這是一種具有更高臨界溫度的新型QSHI。

通過允許導電而不會浪費能量，這種材料可以構成新一代超低能耗電子產品的基礎。

制造單層WTe2器件

拓撲絕緣體的興起為尋求非耗散傳輸的研究人員帶來了巨大的希望，從而為已經觀察到的摩爾定律平穩期提供了解決方案。

與之前報道的只能在低溫下表現出量化邊緣傳輸的量子阱系統不同，最近在預測的大帶隙QSHI、單層WTe2中對100K下的量化邊緣傳輸的觀察揭示了更多的應用QSHI的。

“雖然我們在堆疊范德華(vdW)異質結構方面獲得了很多經驗，但制造單層vdW器件對我們來說仍然具有挑戰性，”該研究的第一作者ChengTan博士說。

“由于單層WTe2納米薄片難以獲得，我們首先專注于更成熟的材料石墨烯，以開發制造單層WTe2vdW器件的最佳方法，”墨爾本RMIT大學FLEET研究員Cheng說。

由于單層WTe2納米薄片對空氣也非常敏感，因此應使用由惰性六方氮化硼納米薄片制成的保護性“套裝”來封裝它們。此外，在戶外進行一系列測試之前，組裝是在無氧和無水的手套箱中進行的。經過一番努力，該團隊隨后成功制造了帶有柵電極的單層WTe2器件，并觀察到門控單層WTe2的典型傳輸行為。

“對于用于未來自旋電子器件的材料，我們需要一種方法來確定自旋特性，尤其是自旋方向，”GuolinZheng博士(也在RMIT)說。

當單層WTe2器件(左)在面內方向傾斜時，AMR(右)隨傾斜角度而變化，顯示在變化的磁場中，并在磁場垂直于邊緣電流方向時達到最小值。信用：納米快報

“然而，在單層WTe2中，自旋動量鎖定(QSHI的一個基本特性)以及是否可以確定螺旋邊緣狀態的自旋量化軸還有待實驗證明。”

各向異性磁阻(AMR)是一種有效的輸運測量方法，可揭示電流自旋極化時電子自旋與動量之間的關系。

考慮到QSHI的邊緣態只允許自旋極化電子的傳輸，該團隊隨后使用AMR測量來探索單層WTe2邊緣態中潛在的自旋動量鎖定。

“幸運的是，我們找到了處理單層WTe2納米薄片的正確方法，”合著者Feixiangxiang博士(新南威爾士大學)說。“然后我們進行了角度相關的輸運測量，以探索邊緣狀態中的潛在自旋特征。”

執行各向異性磁阻并定義自旋量化軸

然而，拓撲邊緣狀態并不是QSHI中自旋動量鎖定和面內AMR效應的唯一可能原因。Rashba分裂也會產生類似的效果，這可能會使實驗結果不清楚。

“幸運的是，拓撲邊緣狀態和Rashba分裂誘導了非常不同的依賴于柵極的面內AMR行為，因為這兩種情況下的能帶結構仍然非常不同。”合著者亞歷克斯·漢密爾頓教授(也在新南威爾士大學)說。

“大多數樣本表明，當磁場幾乎垂直于邊緣電流方向時，面內AMR會達到最小值。”程說。

華南師范大學合作者的進一步理論計算進一步證實，單層WTe2邊緣態中電子的自旋應始終垂直于其傳播方向，即所謂的‘自旋動量鎖定’。”

“在單層WTe2中觀察到的面內AMR的幅度非常大，高達22%”，共同作者A/LanWang教授(也在RMIT)說。

“雖然之前其他3D拓撲絕緣體中面內AMR的幅度只有1%左右。通過AMR測量，我們還可以精確地確定邊緣態中自旋極化電子的自旋量化軸。”

“同樣，這項工作證明了QSHI在設計和開發新型自旋電子器件方面的潛力，并證明AMR是設計和開發基于QSHI的自旋電子器件的有用工具，這是FLEET實現低功耗的有希望的途徑之一。未來的能源設備。”