Onderzoekers van de Chalmers University of Technology hebben voor het eerst de elektrische detectie van spinstroom op topologische isolatoroppervlakken bij kamertemperatuur gerapporteerd door gebruik te maken van een ferromagnetische detector. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters.

Solid-state materialen werden conventioneel verdeeld in drie verschillende klassen, zoals geleiders, halfgeleiders en isolatoren. Onlangs, een nieuwe klasse van materialen is voorgesteld en gerealiseerd, zogenaamde "topologische isolatoren", waar zowel de isolerende als geleidende eigenschappen naast elkaar kunnen bestaan ​​in hetzelfde materiaal.

Topologische isolatoren zijn isolatoren in de bulk, maar geleiden op hun oppervlak met minder weerstand dan de conventionele materialen. Dit is mogelijk dankzij hun unieke sterke interactie tussen de spin van elektronen en het baanimpulsmoment met hun tijdomkeersymmetrie. De interactie is zo sterk dat het spinimpulsmoment van de elektronen loodrecht op hun momentum wordt vergrendeld, en genereert een spontane spin-gepolariseerde stroom op de oppervlakken van topologische isolatoren door een elektrisch veld aan te leggen.

Deze spin-gepolariseerde geleidende elektronen op het oppervlak hebben geen massa en zijn extreem robuust tegen de meeste verstoringen door defecten of onzuiverheden, en kan de voortplanting van dissipatieloze spinstromen mogelijk maken.

De onderzoekers van Chalmers ontdekten de oppervlaktespinstroom elektrisch op een topologische isolator genaamd bismutselenide (Bi ₂ Se ₃ ) voor het eerst bij kamertemperatuur met ferromagnetische tunnelcontacten. Van dergelijke contacten is bekend dat ze zeer gevoelig zijn voor spinpolarisatie en de Bi ₂ Se ₃ oppervlak door de magnetoweerstand te meten als gevolg van parallelle en anti-parallelle uitlijning van de spinstroom en de magnetisatierichting van de ferromagneet.

"De belangrijkste factoren voor deze resultaten bij kamertemperatuur zijn topologische isolatorkristallen van goede kwaliteit en spingevoelige ferromagnetische tunnelcontacten die zorgvuldig zijn voorbereid door cleanroom-nanofabricage", legt Dr. André Dankert uit, de hoofdauteur van het artikel.

Eerdere rapporten op dit onderzoeksgebied beperkten zich tot metingen bij cryogene temperaturen. Uit de resultaten van de grootte van het spinsignaal, zijn teken, en controle-experimenten, verschillende meetconfiguraties gebruiken, hoeken en interface-omstandigheden, de auteur sluit andere bekende fysieke effecten uit.

"Onze resultaten tonen de elektrische toegankelijkheid van spinstromen op topologische isolatoroppervlakken tot kamertemperatuur en maken de weg vrij voor verdere ontwikkelingen, die in de toekomst nuttig kan zijn voor op spin gebaseerde informatieverwerking", zegt universitair hoofddocent Saroj Dash, die de onderzoeksgroep leidt.

Echter, Saroj Dash waarschuwt dat het onderzoek naar de ontwikkeling van deze nieuwe klassematerialen en meettechnieken zich nog in de beginfase bevindt en dat er meer experimenten nodig zijn voor meer begrip.