Spintronische apparaten zijn elektronische apparaten die gebruik maken van de spin van elektronen (een intrinsieke vorm van impulsmoment dat het elektron bezit) om snelle verwerking en goedkope gegevensopslag te bereiken. In dit opzicht is het spin-overdrachtskoppel een sleutelfenomeen dat ultrasnelle spintronische apparaten met een laag vermogen mogelijk maakt. Onlangs is het spin-orbit koppel (SOT) echter naar voren gekomen als een veelbelovend alternatief voor het spin-overdrachtskoppel.

Veel onderzoeken hebben de oorsprong van SOT onderzocht, waaruit blijkt dat in niet-magnetische materialen een fenomeen dat het spin Hall-effect (SHE) wordt genoemd, de sleutel is tot het bereiken van SOT. In deze materialen is het bestaan ​​van een "Dirac-band"-structuur, een specifieke rangschikking van elektronen in termen van hun energie, belangrijk om een ​​grote SHE te bereiken. Dit komt omdat de Dirac-bandstructuur "hotspots" bevat voor de Berry-fase, een kwantumfasefactor die verantwoordelijk is voor de intrinsieke SHE. Materialen met geschikte hotspots in de Berry-fase zijn dus van cruciaal belang voor de ontwikkeling van de SHE.

In deze context wordt het materiaal tantaalsilicide (TaSi₂ ) is van groot belang omdat het verschillende Dirac-punten heeft in de buurt van het Fermi-niveau in zijn bandstructuur, geschikt voor het oefenen van Berry-fase-engineering. Om dit aan te tonen heeft een team van onderzoekers, onder leiding van universitair hoofddocent Pham Nam Hai van de afdeling Electrical and Electronic Engineering van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, onlangs de invloed van hotspots in de Dirac-band op de temperatuurafhankelijkheid van ZIJ in TaSi₂ .

"Berry-fase-monopooltechniek is een interessante onderzoeksrichting, omdat het aanleiding kan geven tot efficiënte hoge-temperatuur-SOT-spintronische apparaten zoals het magneto-resistieve willekeurig toegankelijke geheugen", zegt Dr. Hai. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Applied Physics Letters .

Via verschillende experimenten heeft het team vastgesteld dat de SOT-efficiëntie van TaSi₂ bleef vrijwel onveranderd van 62 K naar 288 K, wat vergelijkbaar was met het gedrag van conventionele zware metalen. Toen de temperatuur echter verder werd verhoogd, nam de SOT-efficiëntie plotseling toe en verdubbelde bijna bij 346 K. Bovendien nam de overeenkomstige SHE ook op vergelijkbare wijze toe.

Dit was met name heel anders dan het gedrag van conventionele zware metalen en hun legeringen. Bij verdere analyse schreven de onderzoekers deze plotselinge toename van SHE bij hoge temperaturen toe aan monopolen uit de Berry-fase.

"Deze resultaten bieden een strategie om de SOT-efficiëntie bij hoge temperaturen te verbeteren via Berry-fase-monopooltechniek", zegt Dr. Hai.

Hun onderzoek benadrukt het potentieel van Berry-fase-monopooltechniek om de SHE effectief te gebruiken in niet-magnetische materialen, en biedt een nieuw pad voor de ontwikkeling van SOT-spintronische apparaten met hoge temperatuur, ultrasnelle en lage energie.

Meer informatie: Ken Ishida et al., Verbeterd spin-Hall-effect bij hoge temperatuur in niet-centrosymmetrisch silicide TaSi2 aangedreven door Berry-fase monopolen, Technische Letters (2023). DOI:10.1063/5.0165333

Journaalinformatie: Brieven over toegepaste natuurkunde

Aangeboden door het Tokyo Institute of Technology