[論文レビュー] All-electrical creation and control of giant spin-galvanic effect in 1T-MoTe2/graphene heterostructures at room temperature

Md. Anamul Hoque, Dmitrii Khokhriakov+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2019

2D Materials and Applications参考文献 35被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、室温下で1T-MoTe2/グラフェンのヴァン・デル・ワールスヘテロ構造において、全電気的生成およびゲートで制御可能な巨大スピンギャルバニック効果を実証した。この効果は、近接効果によるラシュバスピンオービット結合に起因し、他の系と比較して信号の大きさが1桁大きい強力なスピンから電荷への変換を可能にし、チャージ中性点付近でのゲート電圧を用いたスピンの符号および強度の完全な電気的制御が可能である。

ABSTRACT

The ability to engineer new states of matter and to control their electronic and spintronic properties by electric fields is at the heart of the modern information technology and driving force behind recent advances in van der Waals (vdW) heterostructures of two-dimensional materials. Here, we exploit a proximity-induced Rashba-Edelstein (REE) effect in vdW heterostructures of Weyl semimetal candidate MoTe2 and CVD graphene, where an unprecedented gate-controlled switching of spin-galvanic effect emerges due to an efficient spin-to-charge conversion at room temperature. The magnitude of the measured spin-galvanic signal is found to be an order of magnitude larger than the other systems, giving rise to a giant REE. The magnitude and the sign of the spin-galvanic signal are shown to be strongly modulated by gate electric field near the charge neutrality point, which can be understood considering the spin textures of the Rashba spin-orbit coupling-induced spin-splitting in conduction and valence bands of the heterostructure. These findings open opportunities for utilization of gate-controlled switching of spin-galvanic effects in spintronic memory and logic technologies and possibilities for realization of new states of matter with novel spin textures in vdW heterostructures with gate-tunable functionalities.

研究の動機と目的

• 室温下で2次元ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造におけるスピンギャルバニック効果の全電気的制御を達成すること。
• 近接効果によるラシュバスピンオービット結合が強力なスピンから電荷への変換を可能にする役割を調査すること。
• 1T-MoTe2/グラフェンヘテロ構造におけるスピンギャルバニック信号の大きさおよび符号のゲートで制御可能な変調を実証すること。
• ゲートで制御可能なスピントロニクス素子を実現するためのプラットフォームを確立すること。
• 2次元ヘテロ構造におけるスピンテクスチャーと電子バンド構造の相乗作用を調査し、新規な量子現象を解明すること。

提案手法

• 1T-MoTe2およびCVD法で成長したグラフェンの機械的剥離および転写を用いたヴァン・デル・ワールスヘテロ構造の作製。
• グラフェン層のキャリア密度をチャージ中性点付近にゲート電圧を印加することで調整。
• ホールバー型ジオメトリにおけるフェロ磁性接触を用いたスピン注入および検出によりスピンギャルバニック効果を測定。
• 1T-MoTe2/グラフェン界面における近接効果によるラシュバスピンオービット結合を活用し、伝導帯および価電子帯におけるスピン分離を生成。
• ゲート依存性の信号を分析し、スピンギャルバニック電圧の変化とスピンテクスチャーの進化およびバンド構造の変調の相関を評価。
• 電気的ゲーティングを用いてスピンギャルバニック信号の符号および振幅を電気的にスイッチ可能であり、スピンから電荷への変換の制御を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造において、室温下でスピンギャルバニック効果を完全に電気的手段で生成および制御できるか？
• RQ2 1T-MoTe2/グラフェンヘテロ構造におけるスピンギャルバニック効果の大きさは何か？他の系と比較してどうなるか？
• RQ3 ゲート電圧は、このヘテロ構造におけるスピンギャルバニック信号の符号および振幅をどのように制御するか？
• RQ4 ラシュバスピンオービット結合は、この系における巨大スピンギャルバニック効果を可能にする役割を果たすか？
• RQ5 このヘテロ構造のスピンテクスチャーは、電気的にチューニング可能であり、スピンから電荷への変換効率を制御できるか？

主な発見

• 1T-MoTe2/グラフェンヘテロ構造におけるスピンギャルバニック効果は、従来報告された系と比較して1桁大きい大きさを示しており、巨大ラシュバ・エデルスタイン効果を示している。
• スピンギャルバニック信号の符号および振幅は、チャージ中性点付近でのゲート電圧により逆転可能であり、全電気的制御を実証した。
• 観察されたゲートで制御可能な特性は、ラシュバスピンオービット結合に起因する電場誘起による伝導帯および価電子帯におけるスピン分離の変調に起因する。
• この効果は室温でも安定に維持され、スピントロニクス素子における実用的応用を可能にする。
• この系は強力なスピンから電荷への変換効率を示しており、外部磁場がゼロの状態でも測定可能な信号を示す。
• 結果から、ヘテロ構造のスピンテクスチャーがゲートでチューニング可能であり、スピン依存輸送の動的制御が可能であることが確認された。