Gauche :dispositif WTe2 monocouche (barre d'échelle =5 um). À droite :conductance dépendante de la porte à différentes températures. Crédit :Nano Letters
Une collaboration internationale dirigée par le RMIT publiée cette semaine a observé une grande magnétorésistance anisotrope dans le plan (AMR) dans un isolant Hall de spin quantique et l'axe de quantification de spin des états de bord peut être bien défini.
Un isolant Hall de spin quantique (QSHI) est un état bidimensionnel de la matière avec une masse isolante et des états de bord hélicoïdaux non dissipatifs qui affichent un verrouillage de l'impulsion de spin, qui sont des options prometteuses pour le développement de futurs dispositifs nanoélectroniques et spintroniques à faible énergie. .
La collaboration FLEET de chercheurs du RMIT, de l'UNSW et de la South China Normal University (Chine) confirme pour la première fois l'existence d'une grande RAM dans le plan dans la monocouche WTe2 qui est un nouveau QSHI avec des températures critiques plus élevées.
En permettant la conduction électrique sans gaspillage d'énergie, ces matériaux pourraient constituer la base d'une nouvelle génération future d'électronique à très faible consommation d'énergie.
Fabrication monocouche WTe2 appareils
L'essor des isolants topologiques a offert un espoir important aux chercheurs à la recherche d'un transport non dissipatif, et donc d'une solution au plafonnement déjà observé de la loi de Moore.
Contrairement aux systèmes à puits quantiques signalés précédemment, qui ne pouvaient présenter un transport de bord quantifié qu'à basse température, l'observation récente du transport de bord quantifié à 100 K dans un QSHI à large bande interdite prédit, monocouche WTe2 , a mis en lumière les applications de QSHI.
"Bien que nous ayons acquis beaucoup d'expérience dans l'empilement d'hétérostructures van der Waals (vdW), la fabrication de dispositifs vdW monocouches était toujours un défi pour nous", déclare le premier auteur de l'étude, le Dr Cheng Tan.
"Parce que la monocouche WTe2 les nanoflakes sont difficiles à obtenir, nous nous sommes d'abord concentrés sur un matériau plus mature, le graphène, pour développer la meilleure façon de fabriquer la monocouche WTe2 appareils vdW", déclare Cheng, qui est chercheur FLEET à l'université RMIT de Melbourne.
Comme la monocouche WTe2 les nanoflakes sont également très sensibles à l'air, des "combinaisons d'amours" protectrices faites de nanoflakes hBN inertes devraient être utilisées pour les encapsuler. De plus, l'assemblage a été réalisé dans une boîte à gants sans oxygène ni eau avant une série de tests à l'extérieur. Après quelques efforts, l'équipe a ensuite fabriqué avec succès la monocouche WTe2 dispositifs avec électrodes de grille et comportements de transport typiques observés de la monocouche fermée WTe2 .
"Pour que les matériaux soient utilisés dans les futurs dispositifs spintroniques, nous avons besoin d'une méthode pour déterminer les caractéristiques de spin, en particulier la direction du spin", explique le Dr Guolin Zheng (également au RMIT).
Lorsque le dispositif monocouche WTe2 (à gauche) est incliné dans la direction du plan, l'AMR (à droite) varie selon l'angle d'inclinaison, illustré à un champ magnétique variable, et atteint une valeur minimale lorsque le champ magnétique est perpendiculaire à la direction du courant de bord. Crédit :Nano Letters
"Cependant, en monocouche WTe2 , le verrouillage spin-impulsion (une propriété essentielle de QSHI) et si l'axe de quantification de spin dans ses états de bord hélicoïdaux pouvait être déterminé n'avait pas encore été démontré expérimentalement."
La magnétorésistance anisotrope (AMR) est une méthode de mesure de transport efficace pour révéler la relation entre le spin et l'impulsion des électrons lorsque le courant est polarisé en spin.
Considérant que les états de bord d'un QSHI ne permettent que le transport d'électrons polarisés en spin, l'équipe a ensuite utilisé des mesures AMR pour explorer le verrouillage potentiel de l'impulsion de spin dans les états de bord de la monocouche WTe2 .
"Heureusement, nous avons trouvé la bonne méthode pour traiter la monocouche WTe2 nanoflakes", explique le co-auteur, le Dr Feixiang Xiang (UNSW). "Nous avons donc effectué des mesures de transport dépendant de l'angle pour explorer les caractéristiques de spin potentielles dans les états de bord."
Réaliser une magnétorésistance anisotrope et définir l'axe de quantification de spin
Cependant, les états de bord topologiques ne sont pas la seule cause possible du verrouillage de l'impulsion de spin et des effets AMR dans le plan dans un QSHI. Le fractionnement de Rashba pourrait également générer des effets similaires, ce qui peut rendre les résultats expérimentaux peu clairs.
"Heureusement, les états de bord topologiques et le fractionnement de Rashba induisent des comportements AMR dans le plan dépendant de la porte très différents, car la structure de bande dans ces deux situations est encore très différente." dit le co-auteur, le professeur Alex Hamilton (également à l'UNSW).
"La plupart des échantillons montrent qu'un minimum d'AMR dans le plan se produit lorsque le champ magnétique est presque perpendiculaire à la direction du courant de bord." dit Cheng.
D'autres calculs théoriques par des collaborateurs de l'Université normale de Chine du Sud ont confirmé que les spins des électrons dans les états de bord de la monocouche WTe2 doivent toujours être perpendiculaires à leurs directions de propagation, ce que l'on appelle le "verrouillage de l'impulsion de rotation".
"Les amplitudes de l'AMR dans le plan observées dans la monocouche WTe2 est très important, jusqu'à 22 %", déclare le co-auteur A/Prof Lan Wang (également au RMIT).
"Alors que les amplitudes précédentes de l'AMR dans le plan dans d'autres isolants topologiques 3D ne sont que d'environ 1 %. Par des mesures AMR, nous pouvons également déterminer avec précision l'axe de quantification de spin des électrons polarisés en spin dans les états de bord."
"Encore une fois, ce travail démontre le potentiel prometteur de QSHI pour la conception et le développement de nouveaux dispositifs spintroniques et prouve que l'AMR est un outil utile pour la conception et le développement de dispositifs spintroniques basés sur QSHI, qui sont l'une des voies prometteuses pour FLEET pour réaliser de faibles dispositifs énergétiques à l'avenir." Des scientifiques imagent des arêtes conductrices dans un matériau 2D prometteur
