Izquierda:dispositivo monocapa WTe2 (barra de escala =5um). Derecha:conductancia dependiente de la puerta a temperaturas variables. Crédito:Nano letras
Una colaboración internacional dirigida por RMIT publicada esta semana ha observado una gran magnetorresistencia anisotrópica (AMR) en el plano en un aislador Hall de espín cuántico y el eje de cuantificación de espín de los estados de borde puede estar bien definido.
Un aislador Hall de espín cuántico (QSHI, por sus siglas en inglés) es un estado bidimensional de la materia con un volumen aislante y estados de borde helicoidales no disipativos que muestran un bloqueo del impulso de espín, que son opciones prometedoras para desarrollar futuros dispositivos espintrónicos y nanoelectrónicos de baja energía. .
La colaboración FLEET de investigadores de RMIT, UNSW y la Universidad Normal del Sur de China (China) confirma por primera vez la existencia de grandes AMR en el plano en monocapa WTe2 que es un nuevo QSHI con temperaturas críticas más altas.
Al permitir la conducción eléctrica sin desperdiciar energía, estos materiales podrían formar la base de una nueva generación futura de electrónica de energía ultrabaja.
Fabricación monocapa WTe2 dispositivos
El auge de los aisladores topológicos ha ofrecido una esperanza significativa para los investigadores que buscan un transporte no disipativo y, por lo tanto, una solución al estancamiento ya observado de la ley de Moore.
A diferencia de los sistemas de pozos cuánticos informados anteriormente, que solo podían exhibir transporte de borde cuantificado a bajas temperaturas, la observación reciente de transporte de borde cuantificado a 100 K en un QSHI de banda prohibida grande predicho, monocapa WTe2 , ha arrojado más luz sobre las aplicaciones de QSHI.
"Aunque habíamos ganado mucha experiencia en el apilamiento de heteroestructuras de van der Waals (vdW), la fabricación de dispositivos vdW monocapa seguía siendo un desafío para nosotros", dice el primer autor del estudio, el Dr. Cheng Tan.
"Porque monocapa WTe2 los nanoflakes son difíciles de obtener, primero nos enfocamos en un material más maduro, el grafeno, para desarrollar la mejor manera de fabricar monocapa WTe2 dispositivos vdW", dice Cheng, investigador de FLEET en la Universidad RMIT de Melbourne.
Como la monocapa WTe2 los nanoflakes también son muy sensibles al aire, se deben utilizar "trajes de amor" protectores hechos de nanoflakes de hBN inertes para encapsularlos. Además, el montaje se llevó a cabo en una caja de guantes sin oxígeno ni agua antes de una serie de pruebas en el exterior. Después de un poco de esfuerzo, el equipo fabricó con éxito la monocapa WTe2 dispositivos con electrodos de compuerta y comportamientos de transporte típicos observados de WTe2 monocapa con compuerta .
"Para que los materiales se utilicen en futuros dispositivos espintrónicos, necesitamos un método para determinar las características del espín, en particular, la dirección del espín", dice el Dr. Guolin Zheng (también en RMIT).
Cuando el dispositivo WTe2 monocapa (izquierda) se inclina en la dirección del plano, AMR (derecha) varía según el ángulo de inclinación, se muestra con un campo magnético variable y alcanza un valor mínimo cuando el campo magnético es perpendicular a la dirección de la corriente del borde. Crédito:Nano letras
"Sin embargo, en monocapa WTe2 , el bloqueo del momento de giro (una propiedad esencial de QSHI) y si el eje de cuantificación de giro en sus estados de borde helicoidal podría determinarse aún no se había demostrado experimentalmente".
La magnetorresistencia anisotrópica (AMR) es un método de medición de transporte efectivo para revelar la relación entre el espín de los electrones y el momento cuando la corriente está polarizada por espín.
Teniendo en cuenta que los estados de borde de un QSHI solo permiten el transporte de electrones polarizados por espín, el equipo utilizó mediciones de AMR para explorar el posible bloqueo del momento de espín en los estados de borde de la monocapa WTe2. .
"Afortunadamente, encontramos el método adecuado para lidiar con la monocapa WTe2 nanoflakes", dice el coautor, el Dr. Feixiang Xiang (UNSW). "Entonces realizamos mediciones de transporte dependientes del ángulo para explorar las posibles características de espín en los estados de borde".
Realización de magnetorresistencia anisotrópica y definición del eje de cuantificación de espín
Sin embargo, los estados de borde topológicos no son la única causa posible del bloqueo del momento de giro y los efectos AMR en el plano en un QSHI. La división de Rashba también podría generar efectos similares, lo que puede hacer que los resultados experimentales no sean claros.
"Afortunadamente, los estados de borde topológicos y la división de Rashba inducen comportamientos AMR en el plano dependientes de la puerta muy diferentes, porque la estructura de la banda en estas dos situaciones sigue siendo muy diferente". dice el coautor, el profesor Alex Hamilton (también en la UNSW).
"La mayoría de las muestras muestran que el mínimo de AMR en el plano ocurre cuando el campo magnético es casi perpendicular a la dirección de la corriente del borde". dice Cheng.
Otros cálculos teóricos realizados por colaboradores de la Universidad Normal del Sur de China confirmaron que los giros de los electrones en los estados de borde de la monocapa WTe2 debe ser siempre perpendicular a sus direcciones de propagación, lo que se conoce como "bloqueo de momento de giro".
"Las amplitudes de la AMR en el plano observadas en monocapa WTe2 es muy grande, hasta un 22 %", dice el coautor A/Prof Lan Wang (también en RMIT).
"Mientras que las amplitudes anteriores de AMR en el plano en otros aisladores topológicos 3D son solo alrededor del 1 %. Mediante mediciones de AMR, también podemos determinar con precisión el eje de cuantificación de espín de los electrones polarizados de espín en los estados de borde".
"Una vez más, este trabajo demuestra el potencial prometedor de QSHI para diseñar y desarrollar nuevos dispositivos espintrónicos y demuestra que AMR es una herramienta útil para el diseño y desarrollo de dispositivos espintrónicos basados en QSHI, que son una de las rutas prometedoras para que FLEET realice soluciones de bajo consumo". dispositivos de energía en el futuro". Los científicos obtienen una imagen de los bordes conductores en un material bidimensional prometedor
