Spin is een fundamentele kwantumeigenschap die een reeks fysieke en chemische verschijnselen beïnvloedt die ermee samenhangen. Het gebruik van de spin-eigenschap van een materiaal om stroom te voeren heeft toepassingen bij het overbrengen van gegevens met veel hogere snelheid, bijvoorbeeld, en bereikt een betere energie-efficiëntie dan traditionele apparaten die afhankelijk zijn van elektrische ladingen. Echter, hiervoor is een materiaal nodig dat met een hoog rendement een langlevende pure spinstroom kan genereren.

Een team onder leiding van Prof LOH Kian Ping, Afdeling Chemie en Centrum voor Geavanceerde 2-D Materialen, NUS, heeft zo'n veelbelovende kandidaat geïdentificeerd in de vorm van een laag dun halfmetaal molybdeen ditelluride (MoTe ₂ ). Een halfmetaal is een materiaal met een zeer kleine overlap tussen de onderkant van de geleidingsband en de bovenkant van de valentieband. Het heeft materiaaleigenschappen die tussen die van metalen en halfgeleiders liggen.

Het team vertrouwde op het zogenaamde intrinsieke spin Hall-effect (SHE) in MoTe ₂ , die laadstroom omzet in pure spinstroom zonder een sterk magnetisch veld of ingewikkelde excitatiemethoden. Bij conventionele materialen, SHE heeft twee beperkingen. Een daarvan is de afweging tussen de efficiëntie van de lading-spinconversie en de spindiffusielengte. Een andere is de geometrische beperking die de stroom van laadstroom vereist, spinstroom en spinpolarisatie onderling orthogonaal ten opzichte van elkaar zijn. Dit laatste beperkt de apparaatconfiguraties waarbij spinstroom kan worden gebruikt om de oriëntatie van een magnetische laag in magnetische apparaten te veranderen.

Prof Loh zei:"We ontdekten dat beide beperkingen kunnen worden overwonnen door de symmetrie van halfmetaal MoTe . te verlagen ₂ kristal. In praktijk, dit vereist gewoon de MoTe ₂ kristal te verdunnen tot enkele laagdiktes."

Dr. SONG Peng, de eerste auteur van het artikel, verkregen atomair dunne monsters met behulp van de scotch-tape-exfoliatiemethode en vervaardigde de apparaten voor het bestuderen van lading-naar-spin-conversie. Door een niet-magnetische elektrode te gebruiken om ladingen in het monster te injecteren, hij was in staat om pure spinstroom te genereren en de diffusielengte in het materiaal te meten. Een lading-spin conversie-efficiëntie van ongeveer 30% en een spin-diffusielengte van ongeveer 2 m werd verkregen. De combinatie van beide kenmerken is zeer zeldzaam en is niet waargenomen in andere materialen, waaronder platina en galliumarsenide.

Het team legde uit dat de innovatie ligt in het breken van de symmetrie en het verminderen van de kristaldimensionaliteit. De spin-baan koppeling, die verantwoordelijk is voor de spinstroom, vertoont ongewoon gedrag in atomair dunne MoTe ₂ . Naast het efficiënt genereren van spinstroom, het helpt ook de spinstroom zich voort te planten over een afstand van 2 um, die veel langer is dan de spin-diffusielengte (ongeveer 10 nm) die wordt aangetroffen in algemeen bestudeerde spin Hall-metalen, zoals platina en wolfraam.

In aanvulling, het team identificeerde een nieuwe vorm van SHE, die ze Planar SHE noemden om het feit aan te duiden dat spinpolarisatie en laadstroom collineair kunnen zijn in plaats van orthogonaal. Vermindering van de kristalsymmetrie is verantwoordelijk voor het genereren van vlakke SHE. Een dergelijk effect kan worden toegepast om magnetisatie in magnetische tunnelovergangen te schakelen met behulp van het spin-overdrachtskoppeleffect.

"Onze studie identificeerde niet alleen een veelbelovend materiaal voor toekomstige energiezuinige apparaten, maar onthult ook het concept dat symmetriereductie een krachtige strategie kan zijn om spin-baangerelateerde effecten te manipuleren, " voegde prof. Loh toe.

Volgende, het team is van plan dit materiaal op te nemen in functionele apparaten, zoals willekeurig toegankelijk geheugen, voor mogelijke toepassingen in de echte wereld.

De studie is gepubliceerd in Natuurmaterialen .