Spinnströmmar på en topologisk isolator har uppmätts elektriskt vid rumstemperatur

Forskare på Chalmers har för första gången rapporterat elektrisk uppmätning av spinnström på ytan av en topologisk isolator vid rumstemperatur, genom att använda en ferromagnetisk detektor. Resultaten är publicerade i tidskriften Nano Letters.

Material i fast tillstånd delades traditionellt upp i tre klasser: ledare, halvledare och isolatorer. Nyligen har en ny klass av material föreslagits och tagits fram – "topologiska isolatorer" – där både isolerande och ledande egenskaper kan finnas samtidigt i samma material. Topologiska isolatorer är isolerande inne i materialet, men ledande på ytan, med mindre resistans än konventionella material.

Detta är möjligt på grund av den unikt starka växelverkan mellan elektronernas spinn- och banrörelsemängdsmoment, med tillhörande tidssymmetri. Växelverkan är så stark att elektronernas spinn blir låst vinkelrätt mot rörelsemängden, vilket genererar en polariserad spinnström på ytan av den topologiska isolatorn när man applicerar ett elektriskt fält. Dessa spinnpolariserade elektroner på ytan har ingen effektiv massa, och är extremt motståndskraftiga mot de flesta störningar från defekter eller orenheter. De kan möjliggöra spridningsfria spinnströmmar.

Uppmätning av spinnström på "topologiska isolatorer"
Forskarna på Chalmers har för första gången uppmätt spinnström elektriskt vid rumstemperatur, på ytan av den topologiska isolatorn vismutselenid (Bi2Se3), med hjälp av ferromagnetiska tunnelkontakter. Sådana kontakter är kända för att vara mycket känsliga för spinnpolarisering, och känner av Bi2Se3-ytan genom att mäta upp magnetoresistansen mellan parallell och antiparallell riktning av spinnströmmen och den ferromagnetiska magnetiseringen.

– Nyckelfaktorerna för de här resultaten vid rumstemperatur är topologiska isolatorkristaller av hög kvalitet och spinnkänsliga ferromagnetiska tunnelkontakter som förberetts noggrant genom nanoframställning i renrum, förklarar Dr. André Dankert, som är artikelns huvudförfattare.

Tidigare rapporter inom detta forskningsområde är begränsade till mätningar vid kryogeniska temperaturer. Utifrån resultaten för storleken på spinnsignalen, dess tecken samt kontrollexperiment med olika mätningskonfigurationer utesluter författarna andra fysikaliska effekter.

– Våra resultat visar att spinnströmmar på ytan av topologiska isolatorer är elektriskt tillgängliga upp till rumstemperatur. Detta banar väg för ytterligare utveckling, som kan bli användbar för spinnbaserad informationsbehandling i framtiden, säger docent Saroj Dash, som leder forskargruppen.

Saroj Dash poängterar dock att forskningen på den här nya klassen av material och mättekniker fortfarande är i ett mycket tidigt skede, och fler experiment kommer att krävas för att få en djupare förståelse.

Läs artikeln i Nano Letters:
André Dankert, Johannes Geurs, M. Venkata Kamalakar, Sophie Charpentier och Saroj P. Dash, Room Temperature Electrical Detection of Spin Polarized Currents in Topological Insulators
pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5b03080

Bildtext:
Schematisk framställning av spinnströmmen på ytan av en topologisk isolator, med spinnriktningen (S) vinkelrät mot strömriktningen (kx). Inzoomningen i figuren visar den elektriska bandstrukturen på den topologiska isolatorns yta. Spinnpolariseringen på den topologiska isolatorns yta känns av elektriskt med hjälp av en ferromagnetisk tunnelkontakt (FM). Illustration: André Dankert

Finansiärer:
Vetenskapsrådet (VR), Chalmers Styrkeområde Nanovetenskap och nanoteknik, EU Marie Curie Career Integration Grant.

Kontaktpersoner:
André Dankert, postdoc-forskare vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola, Sverige, +46 31 772 18 62, andre.dankert@chalmers.se
Saroj Dash, docent vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola, Sverige, +46 31 772 51 70, +46 31 772 51 70, saroj.dash@chalmers.se

Publicerad: må 07 dec 2015.