Uma colaboração internacional liderada pela RMIT publicada esta semana observou grande magnetoresistência anisotrópica no plano (AMR) em um isolador Hall de spin quântico e o eixo de quantização de spin dos estados de borda pode ser bem definido.
Um isolador Hall de spin quântico (QSHIs) é um estado bidimensional da matéria com um volume isolante e estados de borda helicoidal não dissipativa que exibem bloqueio de spin-momentum, que são opções promissoras para o desenvolvimento de futuros dispositivos nano-eletrônicos e spintrônicos de baixa energia .

A colaboração FLEET de pesquisadores do RMIT, UNSW e South China Normal University (China) confirmam pela primeira vez a existência de grande AMR no plano em monocamada WTe₂ que é um novo QSHI com temperaturas críticas mais altas.

Ao permitir a condução elétrica sem dissipação de energia desperdiçada, esses materiais podem formar a base de uma nova geração futura de eletrônicos de energia ultrabaixa.

Fabricando WTe monocamada₂ dispositivos

O surgimento de isolantes topológicos ofereceu esperança significativa para pesquisadores que buscam transporte não dissipativo e, portanto, uma solução para o já observado platô da lei de Moore.

Ao contrário dos sistemas de poços quânticos relatados anteriormente, que só podiam exibir transporte de borda quantizado em baixas temperaturas, a observação recente de transporte de borda quantizado a 100 K em um QSHI com grande intervalo de banda previsto, WTe de monocamada₂ , lançou mais luz sobre as aplicações do QSHI.

"Apesar de termos adquirido muita experiência no empilhamento de heteroestruturas de van der Waals (vdW), fabricar dispositivos de monocamada vdW ainda era um desafio para nós", diz o primeiro autor do estudo, Dr. Cheng Tan.

"Porque monocamada WTe₂ nanoflocos são difíceis de obter, primeiro nos concentramos em um material mais maduro, o grafeno, para desenvolver a melhor maneira de fabricar WTe monocamada₂ dispositivos vdW", diz Cheng, que é FLEET Research Fellow na RMIT University em Melbourne.

Como a monocamada WTe₂ os nanoflocos também são muito sensíveis ao ar, 'trajes de amor' protetores feitos de nanoflocos de hBN inertes devem ser utilizados para encapsulá-los. Além disso, a montagem foi realizada em um porta-luvas isento de oxigênio e água antes da série de testes externos. Após algum esforço, a equipe fabricou com sucesso a monocamada WTe₂ dispositivos com eletrodos de porta e comportamentos de transporte típicos observados de WTe monocamada fechada₂ .

"Para que os materiais sejam usados ​​em futuros dispositivos spintrônicos, precisamos de um método para determinar as características do spin, em particular a direção do spin", diz o Dr. Guolin Zheng (também da RMIT).

"No entanto, em monocamada WTe₂ , bloqueio de spin-momentum (uma propriedade essencial do QSHI) e se o eixo de quantização de spin em seus estados de borda helicoidal poderia ser determinado ainda não foi demonstrado experimentalmente."

A magnetorresistência anisotrópica (AMR) é um método de medição de transporte eficaz para revelar a relação entre o spin e o momento dos elétrons quando a corrente é polarizada por spin.

Considerando que os estados de borda de um QSHI permitem apenas o transporte de elétrons polarizados por spin, a equipe usou medidas de AMR para explorar o potencial bloqueio de spin-momentum nos estados de borda da monocamada WTe₂ .

"Felizmente, encontramos o método adequado para lidar com a monocamada WTe₂ nanoflocos”, diz o coautor Dr. Feixiang Xiang (UNSW).

Executando magnetorresistência anisotrópica e definindo o eixo de quantização de spin

No entanto, os estados de borda topológicos não são a única causa possível para o bloqueio do momento de rotação e os efeitos AMR no plano em um QSHI. A divisão de Rashba também pode gerar efeitos semelhantes, o que pode tornar os resultados experimentais pouco claros.

"Felizmente, os estados de borda topológicos e a divisão Rashba induzem comportamentos AMR no plano dependentes do portão muito diferentes, porque a estrutura da banda nessas duas situações ainda é muito diferente". diz o co-autor Prof Alex Hamilton (também da UNSW).

"A maioria das amostras mostra que o mínimo de AMR no plano acontece quando o campo magnético é quase perpendicular à direção da corrente de borda". diz Cheng.

Outros cálculos teóricos de colaboradores da South China Normal University confirmaram ainda que os spins dos elétrons nos estados de borda da monocamada WTe₂ devem ser sempre perpendiculares às suas direções de propagação, o chamado 'bloqueio de momento de rotação'.

"As amplitudes do AMR no plano observadas em monocamada WTe₂ é muito grande, até 22%", diz o coautor A/Prof Lan Wang (também do RMIT).

"Enquanto as amplitudes anteriores de AMR no plano em outros isoladores topológicos 3D são apenas cerca de 1%. Por medições de AMR, também podemos determinar com precisão o eixo de quantização de spin dos elétrons polarizados de spin nos estados de borda."

"Mais uma vez, este trabalho demonstra o potencial promissor do QSHI para projetar e desenvolver novos dispositivos spintrônicos e provar que o AMR é uma ferramenta útil para o projeto e desenvolvimento de dispositivos spintrônicos baseados em QSHI, que são uma das rotas promissoras para a FLEET realizar dispositivos de energia no futuro." + Explorar mais

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