Esquema que muestra (izquierda) el efecto Hall de giro convencional (SHE) en el que la corriente de carga a lo largo del eje y genera una corriente de giro a lo largo del eje x (con la polarización de giro indicada por la bola roja con una flecha). (Derecha) SHE plano recién observado en MoTe2 que convierte la corriente de carga en una corriente de espín de larga duración. La polarización de espín y la corriente de carga son colineales, en lugar de ortogonal. Crédito:Universidad Nacional de Singapur
El giro es una propiedad cuántica fundamental que influye en una variedad de fenómenos físicos y químicos asociados con él. El uso de la propiedad de giro de un material para transportar corriente tiene aplicaciones en la transferencia de datos a una velocidad mucho mayor, por ejemplo, y logra una mejor eficiencia energética que los dispositivos tradicionales que dependen de cargas eléctricas. Sin embargo, esto requiere un material que pueda generar una corriente de espín pura de larga duración con alta eficiencia.
Un equipo dirigido por el profesor LOH Kian Ping, Departamento de Química y Centro de Materiales Avanzados 2-D, NUS, ha identificado uno de estos candidatos prometedores en forma de ditelurida de molibdeno semimetal delgada de pocas capas (MoTe 2 ). Un semimetal es un material con una superposición muy pequeña entre la parte inferior de la banda de conducción y la parte superior de la banda de valencia. Tiene propiedades materiales intermedias entre las de los metales y los semiconductores.
El equipo se basó en el llamado efecto Hall de giro intrínseco (SHE) en MoTe 2 , que convierte la corriente de carga en corriente de espín pura sin un campo magnético fuerte o métodos de excitación complicados. En materiales convencionales, ELLA sufre de dos limitaciones. Uno es el compromiso entre la eficiencia de conversión de carga-giro y la longitud de difusión del giro. Otra es la restricción geométrica que requiere el flujo de corriente de carga, la corriente de espín y la polarización de espín para que sean mutuamente ortogonales entre sí. Este último limita las configuraciones del dispositivo en las que se puede utilizar la corriente de espín para cambiar la orientación de una capa magnética en dispositivos magnéticos.
El profesor Loh dijo:"Descubrimos que ambas limitaciones pueden superarse reduciendo la simetría del semimetal MoTe 2 cristal. En la práctica, esto simplemente requiere el MoTe 2 cristal para adelgazar hasta un espesor de pocas capas ".
Dr. SONG Peng, el primer autor del artículo, obtuvieron muestras atómicamente delgadas utilizando el método de exfoliación con cinta adhesiva y fabricaron los dispositivos para estudiar la conversión de carga a espín. Al usar un electrodo no magnético para inyectar cargas en la muestra, pudo generar corriente de espín pura y medir su longitud de difusión en el material. Se obtuvo una eficiencia de conversión de carga-giro de aproximadamente el 30% y una longitud de difusión de giro de aproximadamente 2 µm. La combinación de ambas características es muy rara y no se ha observado en otros materiales, incluyendo platino y arseniuro de galio.
El equipo explicó que la innovación radica en la ruptura de la simetría junto con la reducción de la dimensionalidad del cristal. El acoplamiento espín-órbita, que es responsable de la corriente de espín, exhibe un comportamiento inusual en MoTe atómicamente delgado 2 . Además de generar corriente de espín de manera eficiente, también ayuda a que la corriente de espín se propague a una distancia de 2 um, que es mucho más larga que la longitud de difusión de espín (aproximadamente 10 nm) que se encuentra en los metales Hall de espín comúnmente estudiados, como platino y tungsteno.
Además, el equipo identificó una nueva forma de ELLA, que llamaron Planar SHE para denotar el hecho de que la polarización de espín y la corriente de carga pueden ser colineales en lugar de ortogonales. La reducción de la simetría cristalina es responsable de generar SHE planar. Este efecto se puede aplicar para conmutar la magnetización en uniones de túnel magnéticas utilizando el efecto de torsión de transferencia de giro.
"Nuestro estudio no solo identificó un material prometedor para futuros dispositivos energéticamente eficientes, pero también descubre el concepto de que la reducción de la simetría puede ser una estrategia poderosa para manipular los efectos relacionados con el giro-órbita, "añadió el profesor Loh.
Próximo, el equipo planea incorporar este material en dispositivos funcionales, como la memoria de acceso aleatorio, para posibles aplicaciones en el mundo real.
El estudio se publica en Materiales de la naturaleza .
