Sliding ferroelectricity tunable conventional and anomalous spin Hall effects in bilayer 1T'-WTe2

技術要約：二層1T'-WTe2におけるスライディング強誘電性による従来型および異常スピンホール効果の可変制御

問題提起
スピンホール効果（SHE）は、その高速性、低消費電力、および制御性の高さから、次世代のメモリおよびロジックデバイスにとって極めて重要なメカニズムである。しかし、スピン軌道トルク（SOT）デバイスにおける大きな課題は、外部磁場なしで180°の磁化反転を実現することである。異常スピンホール効果（ASHE）は、面外反強磁性減衰トルクを生成することで垂直磁化の磁場フリーなスイッチングへの経路を提供するが、従来型（CSHE）および異常（ASHE）スピンホール効果の両方を効率的かつ制御可能にチューニングすることは、依然として大きな障壁となっている。現在の手法は、材料作製による格子対称性の低下や特定の磁気秩序を利用することに依存することが多いが、固有の秩序パラメータを介した非揮発的な電気的制御戦略が必要とされている。

手法
著者らは、Projector Augmented Wave (PAW) ポテンシャルおよびPerdew-Burke-Ernerthof (PBE) 汎関数を用いたVienna ab initio Simulation Package (VASP) による密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。ファンデルワールス相互作用は、zero-damping DFT-D3法を用いて考慮した。

• 構造モデリング: 本研究では単層および二層の1T'-WTe2に焦点を当て、様々なスタッキング構成（AAおよびABシリーズ）と、x軸およびy軸方向の層間スライディング経路を調査した。
• 強誘電体経路: スライディング強誘電性のスイッチング経路およびエネルギー障壁を決定するために、Nudged Elastic Band (NEB) 法を用いた。
• 輸送特性: 最大局在化ワニエ関数（MLWF）をWannier90を用いて生成し、Kubo公式を介して、固有の従来型スピンホール導電率（CSHC）および異常スピンホール導電率（ASHC）を計算した。ブリルアンゾーンにわたる積分を行うため、高密度なkメッシュ（単層は450×450×1、二層は150×150×1）を使用し、スピンベリー曲率（SBC）の急激な変化に対応するために適応的な精細化を行った。

主な貢献と結果

1. 二層におけるスピンホール導電率の増強:

   • 単層1T'-WTe2は、フェルミレベルにおいて実質的なスピンホール導電率を示す（CSHC: $\sigma^z_{xy} = -55.98, \sigma^z_{yx} = 48.46$、およびASHC: $\sigma^y_{xy} = 45.62, \sigma^y_{yx} = 56.84$、単位は $(\hbar/e)\text{S/cm}$）。
   • 二層系では、CSHCの値はすべてのスタッキングにおいてほぼ倍増する。ASHCの挙動はスタッキングに依存する。AAスタッキングでは付加的な効果が見られ（単層の値を倍増させ $\sigma^y_{xy} = -96.77, \sigma^y_{yx} = 104.03$ となる）、ABスタッキングでは破壊的な干渉が生じ、AAの場合と比較して一般にASHCの値は減少するが、依然として有意な値を示す。

2. スライディング強誘電性による可変性:

   • 本研究は、二層1T'-WTe2におけるスライディング強誘電性が、x軸方向の層間スライディングに起因することを示している。このスライディングは反転対称性を破り、可逆的な面外分極を生成する。y軸方向のスライディングは、鏡映対称性（$M_x$）が保持されるため、スイッチ可能な強誘電状態を誘起しない。
   • 強誘電分極の大きさと、CSHCおよびASHCの大きさの間には強い相関が存在する。系が常誘電的なAB-0スタッキングから、高度に分極したAB-1（またはAB-4）スタッキングへと遷移するにつれて、両方の導電率は増加する。逆に、AB-2スタッキング（より低い分極）へスライディングすると、これらの値は減少する。

3. 符号と大きさの可逆的なスイッチング:

   • CSHC: 強誘電分極を反転させると（例：AB-5とAB-6のスタッキング間の切り替え）、CSHCの大きさと符号は変化しない。これは、CSHCテンソル成分がスライディング方向に対して偶パリティであることに起因する。
   • ASHC: 対照的に、強誘電分極を反転させると、ASHCの大きさは一定のまま、符号が反転する。この奇パリティ挙動により、スピン電流の強度を変えることなく、その方向を電気的に制御することが可能となる。
   • 最大のASHC値（$\sigma^y_{xy} = 141.08$ および $\sigma^y_{yx}$ の変動）は、AB-1スタッキングにおいて観察され、最大強誘電分極と直接相関している。

4. 微視的メカニズム:

   • CSHCおよびASHCの変動は、ブリルアンゾーン内の$\Gamma$-X経路に沿った価電子帯および伝導帯のスピンベリー曲率（SBC）の変化によって駆動される。
   • 層間スライディングは、これらのバンドからのSBCの相対的な寄与を変化させる。ASHCの符号反転は、スライディング遷移に関連する対称操作の下で符号が変わる、スピン電流、電荷電流、およびスピン分極の方向の特定のパリティに関連している。

意義
本論文は、スライディング強誘電性とスピン輸送現象の間の強い結合を確立したと主張している。スライディング強誘電性が、異常スピンホール導電率の大きさを、そして決定的なことにその符号を効果的にチューニングできることを示すことで、著者らはスピン電流の非揮発的な電気的制御のための戦略を提案している。このアプローチは、垂直磁化の磁場フリーなスイッチングを可能にする次世代の低消費電力スプリントロニクスデバイスの開発への経路を提供する。本研究は、2次元材料における固有の秩序パラメータが、外部の対称性の破れの手段よりも効率的にスピン輸送特性を操作するために利用できることを強調している。