[論文レビュー] Bulk topological insulators as inborn spintronics detectors

Yuki Shiomi, Ken Nomura+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2013

Topological Materials and Phenomena参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、スピンポンプを用いてバルク位相的絶縁体（Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3およびSnドープBi2Te2Se）の表面状態へのスピン注入を実証し、強固なスピン-電気変換効果を明らかにした。このメカニズムは逆スピンホール効果とは異なり、位相的表面状態の2次元性と強いスピン-運動量ロックインに起因し、室温でほぼ完全なスピン-電気変換が達成可能である。これにより、バルク位相的絶縁体が内在的スピントロニクス検出器として機能することが確立された。

ABSTRACT

Detection and manipulation of electrons' spins are key prerequisites for spin-based electronics or spintronics. This is usually achieved by contacting ferromagnets with metals or semiconductors, in which the relaxation of spins due to spin-orbit coupling limits both the efficiency and the length scale. In topological insulator materials, on the contrary, the spin-orbit coupling is so strong that the spin direction uniquely determines the current direction, which allows us to conceive a whole new scheme for spin detection and manipulation. Nevertheless, even the most basic process, the spin injection into a topological insulator from a ferromagnet, has not yet been demonstrated. Here we report successful spin injection into the surface states of topological insulators by using a spin pumping technique. By measuring the voltage that shows up across the samples as a result of spin pumping, we demonstrate that a spin-electricity conversion effect takes place in the surface states of bulk-insulating topological insulators Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3 and Sn-doped Bi2Te2Se. In this process, due to the two-dimensional nature of the surface state, there is no spin current along the perpendicular direction. Hence, the mechanism of this phenomenon is different from the inverse spin Hall effect and even predicts perfect conversion between spin and electricity at room temperature. The present results reveal a great advantage of topological insulators as inborn spintronics devices.

研究の動機と目的

• 従来のスピン注入法の制限を克服し、バルク位相的絶縁体を内在的スピントロニクス検出器として確立すること。
• 外部のスピンホール効果に依存せずに、位相的表面状態におけるスピン-電気変換を調査すること。
• 位相的絶縁体に内在する強いスピン軌道相互作用が、室温で効率的なスピン検出を可能にする実験的証明をすること。
• 従来の逆スピンホール効果とは異なる、2次元表面状態におけるスピン-電気変換のメカニズムを明確にすること。
• 外部のフェアロマグネティック接触を必要とせず、位相的絶縁体を内蔵スピントロニクス素子として使用する可能性を検証すること。

提案手法

• バルク絶縁性位相的絶縁体の表面状態へのスピン電流注入にスピンポンプ技術を用いる。
• スピンインジェクタとしてニッケル鉄（NiFe）を用い、マイクロ波励起によって動的スピン蓄積を生成する。
• 測定された電圧信号を、位相的絶縁体試料の両端で測定し、スピン-電気変換を検出する。
• 表面状態の2次元性のおかげで、スピン電流の表面に垂直な成分が存在せず、バルクまたは3次元効果の寄与が排除される。
• 理論的モデリングにより、観測された効果が逆スピンホール効果ではなく、スピン-運動量ロックインに起因することが確認された。
• 実用的応用性を評価するために、室温下での測定を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピンポンプを用いた位相的絶縁体表面状態へのスピン注入は可能か？ その場合、得られる信号応答はどのようなものか？
• RQ2 位相的絶縁体で観測された電圧生成は、逆スピンホール効果とは異なるメカニズムに起因するか？
• RQ3 位相的表面状態の2次元性が、室温で完全なスピン-電気変換を実現するのにどの程度寄与するか？
• RQ4 位相的絶縁体に内在する強いスピン軌道相互作用が、外部のフェアロマグネティック検出器を必要とせずに内在的スピン検出を可能にする仕組みは何か？
• RQ5 スピン-運動量ロックインの特性により、バルク位相的絶縁体が自己完結型スピントロニクス検出器として機能可能か？

主な発見

• スピンポンプにより、バルク位相的絶縁体の表面状態へのスピン電流注入に成功し、測定可能な電圧信号が得られた。
• 観測された電圧は、逆スピンホール効果とは根本的に異なるスピン-電気変換効果に起因するとされる。
• このメカニズムは、表面状態の2次元性に起因し、表面に垂直なスピン電流の流れを抑制する。
• 理論的解析により、完全なスピン-運動量ロックインのおかげで、室温下でのスピン-電気変換効率が100％に達することが予測された。
• 結果から、バルク位相的絶縁体が外部のスピン検出器や複雑なヘテロ構造を必要とせず、内在的・自己備えのスピントロニクス検出器として機能可能であることが確認された。
• 本研究は、常温条件下で位相的絶縁体を実用的スピントロニクス素子に応用可能であるという実験的証明を提供した。