De ontdekking van topologische Weyl-halfmetalen in 2017 heeft mogelijkheden onthuld om verschillende buitengewone fysieke verschijnselen in de fysica van de gecondenseerde materie te realiseren. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Chalmers University of Technology hebben de directe elektrische detectie van een groot spin Hall-effect in dit topologische kwantummateriaal aangetoond. Weyl-halfmetaal profiteert van zijn sterke spin-baankoppeling en nieuwe topologische spin-gepolariseerde elektronische toestanden in zijn bandstructuur. Deze experimentele bevindingen kunnen de weg vrijmaken voor het gebruik van door spin-baan veroorzaakte verschijnselen bij de ontwikkeling van de volgende generatie snellere en energie-efficiënte informatietechnologie en zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Fysiek beoordelingsonderzoek.

Naarmate onze samenleving meer geïntegreerd raakt met kunstmatige intelligentie (AI) en Internet-of-Things (IoT), de vraag naar laag vermogen, nanoschaal, en high-performance elektronische apparaten zijn toegenomen. Spintronic-apparaten zijn veelbelovend voor de volgende generatie informatietechnologie om het stroomverbruik te verlagen en tegelijkertijd de prestaties en niet-vluchtige eigenschappen te verbeteren. Onlangs, de huidige geïnduceerde magnetisatie-omschakeling door spin-orbit-koppel (SOT) met behulp van het basisspin Hall-effect wordt geïdentificeerd als een essentieel ingrediënt voor niet-vluchtig spintronisch geheugen en logische apparaten. Het SOT-mechanisme is bijzonder nuttig, omdat een spinstroom kan worden gegenereerd door alleen een laadstroom in zware metalen door te laten vanwege het spin Hall-effect, zonder het gebruik van een extern magnetisch veld. Echter, er zijn verschillende uitdagingen met betrekking tot de beperkte schakelsnelheid en het hoge stroomverbruik in deze apparaten.

Een groep onder leiding van Saroj Dash, Universitair hoofddocent aan het Quantum Device Physics Laboratory in Chalmers, gebruikte elektronische apparaten gemaakt van nieuw topologisch kwantummateriaal, Weyl-halfmetalen genoemd, die lijkt op een driedimensionale versie van grafeen, maar een sterke spin-baaninteractie en nieuwe spin-gepolariseerde oppervlakte- en bulkelektronische toestanden in hun bandstructuur heeft.

"Weyl-halfmetalen bevatten Weyl-fermionische toestanden, die worden gekenmerkt door een lineaire dispersie van Weyl-kegels en Fermi-boogoppervlaktetoestanden. Vanwege de monopoolachtige Berry-kromming in de momentumruimte en de sterke spin-baaninteractie, een unieke spintextuur in Weyl-kegels en Fermi-boogoppervlaktetoestanden worden voorspeld in dergelijke nieuwe materialen, ' zegt Saroj Dash.

De onderzoekers van Chalmers profiteren van dergelijke nieuwe eigenschappen om elektrisch een grote lading-naar-spin-conversie te detecteren, d.w.z. het spin Hall-effect, in zo'n Weyl-halfmetaalkandidaat WTe ₂ op kamertemperatuur.

"De detectie van de spinstroom die wordt gegenereerd door het spin Hall-effect in WTe ₂ werd gerealiseerd door apparaten van van der Waals heterostructuur te maken met grafeen, profiteren van de gelaagde structuren en lange spincoherentielengte in grafeen en spintransmissie op de heterostructuurinterface, " legt promovendus Bing Zhao uit die wordt begeleid door Saroj Dash bij MC2, Chalmers.

Saroj Dash gaat verder, "Onze gedetailleerde spingevoelige elektronische metingen, zowel in spintransport als in Hanle-precessiegeometrieën, zijn hoek- en poortafhankelijke studies, en theoretische berekeningen manifesteren het bestaan ​​van de grote en gate-afstembare spin Hall-verschijnselen in WTe ₂ apparaten op kamertemperatuur. De demonstratie van een efficiënt lading-naar-spin-conversieproces in Weyl-halfmetaalkandidaat WTe ₂ bij kamertemperatuur kan de weg vrijmaken voor het gebruik ervan in spintronica en kwantumtechnologieën."

De voordelen van topologische halfmetalen 1T' WTe ₂ is dat het een veelvoud aan interessante eigenschappen heeft, zoals het is een van der Waals gelaagde materialen, een Weyl-halfmetaal in bulk met een chiraal abnormaal (negatief magnetoweerstand) gedrag, aanwezigheid van kwantumspin Hall-toestanden in monolagen, en nieuwe spintextuur van oppervlakte- en bulkelektronische toestand die een grote stroomgeïnduceerde spinpolarisatie verschaft.

De Saroj Dash-groep streeft er verder naar om dergelijke topologische kwantummaterialen te gebruiken voor energie-efficiënte spintronische en kwantumtechnologieën door hun elektronische bandstructuur te exploiteren via Berry-krommingsontwerp en hun nieuwe spintopologieën.

"Dergelijke ontwikkelingen hebben een groot potentieel voor het realiseren van ultrasnelle en energiezuinige elektronica voor de volgende generatie geheugen, logica, communicatie, en kwantumtechnologieën, " hij zegt.

Het onderzoekswerk wordt gedaan in een multinationale samenwerking tussen Chalmers University of Technology, Zweden; Universiteit voor Wetenschap en Technologie Peking, China; Weizmann Instituut voor Wetenschap, Israël; en Max Planck Instituut in Dresden, Duitsland.