Fig 1. Uma apresentação esquemática do efeito de spin Hall no semimetal de Weyl 1T 'WTe2, mostrando a separação de elétrons polarizados por spin (spin para cima e para baixo) nas superfícies de uma amostra apenas passando uma corrente de carga. Crédito:Bing Zhao
A descoberta de semimetais topológicos de Weyl em 2017 revelou oportunidades para realizar vários fenômenos físicos extraordinários na física da matéria condensada. Agora, pesquisadores da Chalmers University of Technology demonstraram a detecção elétrica direta de um grande efeito Hall de spin neste material quântico topológico. Weyl semimetal tira proveito de seu forte acoplamento spin-órbita e novos estados eletrônicos polarizados de spin topológicos em sua estrutura de banda. Essas descobertas experimentais podem abrir caminho para a utilização de fenômenos induzidos por spin-órbita no desenvolvimento da próxima geração de tecnologia da informação mais rápida e com eficiência energética e foram publicados na revista científica Pesquisa de revisão física.
À medida que nossa sociedade está se tornando mais integrada à inteligência artificial (IA) e à Internet das coisas (IoT), a demanda por baixo consumo de energia, nanoescala, e os dispositivos eletrônicos de alto desempenho vêm aumentando. Os dispositivos Spintronic são promissores para a próxima geração de tecnologia da informação, a fim de reduzir o consumo de energia e, ao mesmo tempo, aumentar o desempenho e as propriedades não voláteis. Recentemente, a comutação de magnetização induzida por corrente por torque spin-órbita (SOT) usando o efeito Hall de spin básico é identificada como um ingrediente vital para memória spintrônica não volátil e dispositivos lógicos. O mecanismo SOT é especificamente útil, como uma corrente de spin pode ser gerada apenas passando uma corrente de carga em metais pesados devido ao efeito Hall de spin, sem o uso de um campo magnético externo. Contudo, existem vários desafios relacionados à velocidade de comutação limitada e ao alto consumo de energia nesses dispositivos.
Um grupo liderado por Saroj Dash, Professor Associado do Laboratório de Física de Dispositivos Quânticos em Chalmers, usaram dispositivos eletrônicos feitos de novo material topológico quântico, chamados de semimetais de Weyl, que é como uma versão tridimensional do grafeno, mas tem uma forte interação spin-órbita e uma nova superfície spin-polarizada e estados eletrônicos em massa em sua estrutura de banda.
"Os semimetais de Weyl contêm estados fermiônicos de Weyl, que são caracterizados por uma dispersão linear de cones de Weyl e estados de superfície do arco de Fermi. Devido à curvatura monopolo como Berry no espaço de impulso e forte interação spin-órbita, uma textura de rotação única em cones de Weyl e estados de superfície de arco de Fermi são previstos para existir em tais novos materiais, "diz Saroj Dash.
Os pesquisadores da Chalmers aproveitam essas novas propriedades para detectar eletricamente uma grande conversão de carga em rotação, ou seja, o efeito Hall de rotação, em tal candidato semimetal Weyl WTe 2 à temperatura ambiente.
"A detecção da corrente de spin gerada pelo efeito Hall de spin em WTe 2 foi realizado fazendo dispositivos de heteroestrutura de van der Waals com grafeno, aproveitando suas estruturas em camadas e comprimento de coerência de spin longo em grafeno e transmissão de spin na interface de heteroestrutura, "explica o aluno de Ph.D. Bing Zhao, que é supervisionado por Saroj Dash no MC2, Chalmers.
Saroj Dash continua, "Nossas medições eletrônicas sensíveis ao spin detalhadas, tanto no transporte de spin quanto nas geometrias de precessão Hanle, seus estudos dependentes de ângulo e porta, e cálculos teóricos manifestam a existência de fenômenos de Hall de spin grande e ajustável em WTe 2 dispositivos à temperatura ambiente. A demonstração de um processo de conversão de carga para rotação eficiente em Weyl semimetal candidato WTe 2 em temperatura ambiente pode pavimentar o caminho para sua utilização em spintrônica e tecnologias quânticas. "
Figura 2, parte esquerda:Esquema de um dispositivo medido mostrando a heteroestrutura de WTe2 com grafeno (Gr) e um contato ferromagnético (FM) para a medição do efeito Hall de spin em WTe2. As inserções nos esquemas mostram as estruturas de banda do WTe2, grafeno e a estrutura da interface. Figura 2, parte direita:O sinal de resistência elétrica (Rs) é medido devido ao efeito de spin Hall em WTe2. A polarização de spin pode ser criada passando uma corrente em WTe2 e a precessão é criada varrendo um campo magnético perpendicular, enquanto os spins injetados se difundem no canal de grafeno. Crédito:Bing Zhao
As vantagens dos semimetais topológicos 1T 'WTe 2 é que ele tem uma infinidade de propriedades interessantes, como é um material em camadas de van der Waals, um semimetal de Weyl a granel com comportamento anômalo quiral (magnetorresistência negativa), presença de estados Hall de spin quântico em monocamadas, e uma nova textura de spin de superfície e estado eletrônico em massa, fornecendo uma grande polarização de spin induzida por corrente.
O grupo Saroj Dash pretende ainda utilizar esses materiais quânticos topológicos para tecnologias spintrônicas e quânticas com eficiência energética, explorando sua estrutura de banda eletrônica por meio do design de curvatura de Berry e suas novas topologias de spin.
"Esses desenvolvimentos têm um grande potencial para a realização de eletrônicos ultrarrápidos e de baixo consumo de energia para a próxima geração de memória, lógica, comunicação, e tecnologias quânticas, " ele diz.
O trabalho de pesquisa é feito em uma colaboração multinacional entre a Chalmers University of Technology, Suécia; Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim, China; Weizmann Institute of Science, Israel; e o Instituto Max Planck em Dresden, Alemanha.
