Het magnetoweerstandseffect is de neiging van een materiaal om de waarde van zijn elektrische weerstand in een extern aangelegd magnetisch veld te veranderen. Het is op grote schaal toegepast in sensoren en koppen van harde schijven. Tot dusver, er is geen verband vastgesteld tussen de bestaande magnetoweerstand en spintextuur van spin-gepolariseerde materialen. Onderzoekers van de National University of Singapore (NUS) hebben onlangs een doorbraak op dit gebied bereikt, onthullen een nauwe relatie tussen de spintextuur van topologische oppervlaktetoestanden (TSS) en een nieuw soort magnetoweerstand.

Deze fundamentele vooruitgang wordt bereikt in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Missouri, Verenigde Staten. Het onderzoeksteam observeerde voor het eerst een nieuwe magnetoweerstand in driedimensionale (3-D) topologische isolatoren (TI's), die lineair schaalt met zowel de aangelegde elektrische als magnetische velden, en toont een nauw verband met de in-plane en out-of-plane spin-texturen van TSS. De bevinding van het team zou kunnen helpen bij het aanpakken van het probleem van de selectie van spinstroombronnen waarmee vaak wordt geconfronteerd bij de ontwikkeling van spintronische apparaten.

Het onderzoeksteam, onder leiding van universitair hoofddocent Yang Hyunsoo van de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de NUS-faculteit Ingenieurswetenschappen, publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift Natuurfysica .

Nieuwe magnetoweerstand gevonden in 3D TI

De ontdekking van 3-D TI's heeft grote belangstelling gewekt bij internationale onderzoekers, die nu proberen de fysieke eigenschappen van deze nieuwe staat van materie te begrijpen en de toepassingen ervan in opto-elektronica en spintronica te verkennen. Tot dusver, de magnetoweerstand in 3-D TI's is stroomonafhankelijk, als gevolg van een lineaire respons van het elektronentransport op een aangelegd elektrisch veld. Tegelijkertijd, er een transporthindernis bestaat bij het detecteren van de oppervlakte-eigenschappen, vanwege de aanzienlijke bulkbijdrage, die de oppervlakkige reacties overweldigt.

"In dit werk, we hebben de niet-lineaire magnetoweerstand van de tweede orde waargenomen in een prototypische 3-D TI Bi2Se3-films, en toonde aan dat het gevoelig is voor TSS. In tegenstelling tot conventionele magnetoweerstand, deze nieuwe magnetoweerstand vertoont een lineaire afhankelijkheid van zowel de aangelegde elektrische als magnetische velden, " zei Dr. He Pan, wie is de eerste auteur van de studie en een Research Fellow bij de afdeling.

Assoc Prof Yang heeft toegevoegd, "Theoretische berekeningen door onze medewerkers van de Universiteit van Missouri onthulden dat de bilineaire magneto-elektrische weerstand afkomstig is van de spin-momentum vergrendelde TSS met hexagonale kromtrekking. Vanuit het perspectief van de microscopische oorsprong, het is een fundamenteel nieuw proces met betrekking tot de omzetting van een niet-lineaire spinstroom in een laadstroom onder het externe magnetische veld."

Nieuwe techniek om 3D-spintextuur te onderzoeken

Het onderzoeken van de oppervlaktespintextuur is van cruciaal belang voor de ontwikkeling van op TI gebaseerde spintronische apparaten. Echter, de tot nu toe uitgevoerde benadering is in hoge mate beperkt tot geavanceerde hulpmiddelen zoals foto-emissiespectroscopie.

De nieuwe magneto-elektrische weerstand die door het onderzoeksteam is waargenomen, biedt een nieuwe route om de 3D-spintextuur in TSS te detecteren door een eenvoudige elektrische transportmeting zonder extra ferromagnetische lagen. De studie van het team onthulde ook het hexagonale kromtrekkende effect in TSS, die voorheen alleen konden worden bepaald door foto-emissiespectroscopie.

In een commentaar op de betekenis van de doorbraak, Dr. He Pan zei:"Onze resultaten kunnen worden toegepast op uitgebreide families van sterk spin-gepolariseerde materialen, zoals Rashba/Dresselhaus-systemen, evenals tweedimensionale overgangsmetaaldichalcogeniden met spin-gepolariseerde toestanden. Het biedt ook een nieuwe route om de 3D-spintextuur van deze materialen te detecteren door een eenvoudige transportmeting."

Vooruit gaan, Assoc Prof Yang en zijn team voeren experimenten uit om de omvang van de nieuwe magnetoweerstand te vergroten door de TI-materialen en filmdikte te verfijnen. Ze zijn ook van plan om de technologie in verschillende materialen op te nemen en te testen. Het team hoopt samen te werken met industriële partners om verschillende toepassingen met de nieuwe magnetoweerstand te verkennen.