[論文レビュー] Electrical Control of the Rashba-Edelstein Effect in a Graphene/2H-TaS2 Van der Waals Heterostructure at Room Temperature

Lijun Li, Jin Zhang+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2019

Quantum and electron transport phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、グラフェン/2H-TaS2のファンデルワールスヘテロ構造におけるラシバ・エーデルシュタイン効果を用いて、室温で電気的にスピン偏極を制御することを示した。ゲート電圧を印加することで、完全なスピン偏極の反転が達成され、近接効果に起因するスピン-運動量ロックのため、磁性材料でない界面においても、すべての電気的手段による非平衡スピン状態の制御が可能になった。

ABSTRACT

Van der Waals heterostructures are prime candidates to explore interfacial spin-orbit-coupling (SOC) phenomena for both fundamental spintronics research and applications. Proximity-induced SOC and spin dynamics engineering have been recently achieved in graphene/semiconducting dichalcogenide bilayers. However, the emergence of spin-momentum-locked 2D Dirac fermions in a van der Walls material, pivotal for all-electrical control over the electron spin moment, has remained elusive. Here, we report current-induced spin polarization, a direct consequence of spin-momentum locking due to broken mirror symmetry, in a semi-metallic graphene/2H-TaS2 bilayer. Spin-sensitive electrical measurements unveil full spin polarization reversal by gate voltage (i.e., spin switching) at room temperature. The on-demand electrical generation and control of nonequilibrium spin polarization, not previously observed in a nonmagnetic heterointerface, is an elegant manifestation of unconventional 2D Dirac fermions with robust spin-helical structure. Our findings, supported by first-principles calculations, establish a new route to design low-power spin-logic circuits from layered materials.

研究の動機と目的

• 室温における非磁性のファンデルワールスヘテロ構造であるグラフェン/2H-TaS2におけるスピン偏極の電気的制御を実証すること。
• 界面スピン軌道結合に起因する、グラフェン/2H-TaS2界面におけるスピン-運動量ロックされた2次元ディラックフェルミオンの出現を調査すること。
• ゲート電圧を用いて、非平衡スピン偏極の発生と反転をオンデマンドで実現すること。
• 2次元層状材料を基盤とする低消費電力スピンロジックデバイスの基盤を確立すること。

提案手法

• 機械的剥離およびドライトランスファー技術を用いて、グラフェン/2H-TaS2のファンデルワールスヘテロ構造を作製すること。
• 電流誘起スピン偏極を検出するために、スピン感受性の電気的輸送測定を実施すること。
• バックゲート電圧を適用してフェルミ準位を調整し、ヘテロ構造内のスピン偏極を変調すること。
• 第一原理計算を用いて、近接効果に起因するスピン軌道結合およびスピンヘリカル表面状態の存在を確認すること。
• 界面におけるスピン-運動量ロックの印 tracer として、ラシバ・エーデルシュタイン効果を測定すること。
• さまざまなゲート電圧下でのスピン偏極反転ダイナミクスを分析し、完全な電気的制御を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非磁性のグラフェン/2H-TaS2ヘテロ構造において、室温でスピン偏極を電気的に制御できるか？
• RQ2 界面スピン軌道結合が、ヘテロ界面における2次元ディラックフェルミオンに、どの程度までスピン-運動量ロックを誘導するか？
• RQ3 半金属的グラフェンを有するファンデルワールスヘテロ構造において、ラシバ・エーデルシュタイン効果が観測可能かつ制御可能か？
• RQ4 ゲート電圧によって、非磁性系における非平衡スピン偏極の完全な反転が誘導可能か？
• RQ5 第一原理計算は、この系における頑健なスピンヘリカル状態の出現をどの程度支持するか？

主な発見

• 室温でグラフェン/2H-TaS2ヘテロ構造において電流誘起スピン偏極が観測され、ラシバ・エーデルシュタイン効果が確認された。
• ゲート電圧の調整によりスピン偏極の完全な反転が達成され、すべての電気的スピンスイッチングが実証された。
• 観測されたスピン偏極は、ヘテロ界面における鏡映性の破れに起因するスピン-運動量ロックに起因する。
• 第一原理計算により、近接効果に起因するスピン軌道結合および頑健なスピンヘリカル表面状態の存在が確認された。
• 本系は、非磁性界面において、オンデマンドで電気的に非平衡スピン偏極を発生・制御することが可能である。
• 本研究の結果は、2次元ファンデルワールスヘテロ構造を用いた低消費電力スピンロジック回路の設計への道筋を確立した。