Giant Spin-to-Charge Conversion by Tailoring Magnetically Proximitized Topological Dirac Semimetal

In de zoektocht naar het bouwen van snellere, energiezuinigere computers, zoeken wetenschappers naar manieren om magnetische informatie te controleren met behulp van elektrische stromen in plaats van magnetische velden. Deze aanpak, bekend als spintronica, berust op een eigenschap van elektronen genawd "spin", wat kan worden beschouwd als een klein intern magneetje dat ofwel omhoog of omlaag wijst. Een grote uitdaging in dit veld is het omzetten van de stroom van deze draaiende elektronen in een elektrische stroom, en vice versa, met een hoge efficiëntie. Jarenlang hebben onderzoekers zich gericht op een speciale klasse materialen die bekend staan als topologische isolatoren en semimetalen. Deze materialen bezitten unieke oppervlakte-toestanden waarbij elektronen zijn vastgelegd in een specifieke relatie tussen hun richting van beweging en hun spin, wat fungeert als een zeer efficiënte snelweg voor informatie. Om deze materialen echter in echte apparaten te kunnen gebruiken, moeten ze naast een magneet worden geplaatst. Het probleem is dat de magnetische invloed van de naburige magneet de delicate oppervlakte-toestanden vaak verstoort, waardoor de snelweg effectief wordt gesloten en de efficiëntie wordt ruïneerd.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Tokio en andere instellingen heeft nu een manier gevonden om dit probleem te omzeilen zonder extra lagen te gebruiken om de materialen af te schermen. Ze bestudeerden een specifieke combinatie van een magnetisch metaal, ijzer, en een topologische semimetaal, een vorm van tin genaamd alfa-tin. In plaats van te proberen de magnetische invloed te blokkeren, onderzochten ze hoe de dikte van de tinlaag het gedrag van het systeem verandert. Door lagen tin te kweken variërend van zeer dun tot bijna veertig nanometer dik en een dunne film van ijzer bovenop te plaatsen, ontdekten ze een verrassend ideaal punt. Wanneer de tinlaag een dikte bereikte van vijfentwintig nanometer, vertoonde het systeem een uitzonderlijk sterk vermogen om spin om te zetten in lading. Deze piekprestatie trad op omdat de magnetische invloed van de ijzerlaag de topologische toestanden op het bovenste oppervlak van het tin onderdrukte, maar de toestanden op het onderste oppervlak intact en functioneel liet.

De onderzoekers maten dit effect met een techniek genaamd spin-pumping, waarbij de magnetische laag wordt geschud met radiogolven om een stroom draaiende elektronen in het tin te injecteren. Terwijl deze elektronen door het tin reisden, genereerden ze een spanning die gemeten kon worden. Het team observeerde dat de sterkte van dit spanningssignaal niet simpelweg groeide met de dikte van het tin; in plaats daarvan steeg het naar een maximum bij vijfentwintig nanometer en nam het daarna af naarmate de laag dikker werd. Dit gedrag leverde een cruciale aanwijzing op. Als de conversie zou plaatsvinden aan het bovenste oppervlak waar het ijzer zit, zou het signaal zwak of afwezig zijn geweest door de magnetische verstoring. Als het in de bulk van het tin zou plaatsvinden, zou het signaal gestaag groeien. Het feit dat het piekte en daarna daalde, suggereerde dat de conversie plaatsvond aan de onderste interface, tussen het tin en het substraat waarop het was gegroeid, maar dat de elektronen door het tin moesten reizen om daar te komen.

Om te begrijpen waarom dit gebeurde, combineerden het team hun experimentele gegevens met computersimulaties van de elektronische structuur van het materiaal. De simulaties onthulden dat de magnetische invloed van de ijzerlaag, bekend als het magnetische nabijheidseffect, diep in het tin doordringt. Aan de bovenste interface vernietigt dit effect de speciale topologische toestanden. Echter, aan de onderste interface, ver genoeg verwijderd van het ijzer, blijven de toestanden intact, hoewel ze een kleine energiekloof verkrijgen door de langetermijnmagnetische invloed. De onderzoekers ontdekten dat de tinlaag bij vijfentwintig nanometer dik genoeg is om de spinstroom effectief naar het onderste oppervlak te laten reizen, maar niet zo dik dat het signaal wegsterft door het reizen door het materiaal. Deze specifieke dikte liet de onderste oppervlakte-toestanden toe om te fungeren als een zeer efficiënte converter, die een spanning genereerde die tot de hoogste ooit geregistreerdeerde was voor enig materiaal bij kamertemperatuur.

De studie sloot expliciet verschillende alternatieve verklaringen voor deze hoge efficiëntie uit. De onderzoekers bevestigden dat het signaal niet van de ijzerlaag zelf kwam, noch van het bovenste oppervlak van het tin waar het ijzer zit, omdat monsters met zeer dunne tinlagen geen dergelijke conversie vertoonden. Ze stelden ook vast dat het signaal niet het resultaat was van warmte of andere parasitaire effecten, aangezien de spanning alleen lineair toenam met het vermogen van de radiogolven in het monster met de optimale dikte. Bovendien toonden ze aan dat de onderste oppervlakte-toestanden de dominante bron van de conversie waren, een conclusie die werd ondersteund door het negatieve teken van de spanning, wat duidde op de tegenovergestelde draairichting van de spin vergeleken met eerdere studies die een spacerlaag gebruikten om het bovenste oppervlak te beschermen.

Door de dikte van de tinlaag af te stemmen, hebben de onderzoekers aangetoond dat het mogelijk is om de kracht van topologische materialen te benutten, zelfs wanneer ze in direct contact staan met een magneet. Ze berekenden dat de efficiëntie van deze spin-naar-lading conversie, gemeten als een inverse Edelstein-lengte, een waarde bereikte van negatief 3,1 nanometer. Dit is een opmerkelijk hoog getal, vergelijkbaar met de beste resultaten gezien in andere complexe materiaalsystemen, maar bereikt hier zonder extra isolerende spacerlagen. Het werk suggereert dat het magnetische nabijheidseffect, vaak gezien als een hinderlijk probleem, beheerst kan worden door de geometrie van het materiaal te ontwerpen om de nuttige toestanden aan de verre zijde van de laag te behouden. Deze bevinding biedt een nieuwe weg voor het ontwerpen van spintronische apparaten die eenvoudiger te bouwen zijn en potentieel efficiënter, omdat ze niet de extra stappen vereisen van het invoegen van beschermende barrières tussen magnetische en topologische componenten.