[論文レビュー] Layer- and Gate-tunable Spin-Orbit Coupling in a High Mobility Few-Layer Semiconductor

Dmitry Shcherbakov, Petr Stepanov+15 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2020

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 32被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、少数層InSeにおける電場および厚さに依存するスピン軌道結合（SOC）を実証し、垂直方向ゲート電圧を用いて、0から20 meVの範囲で内在的スピン分裂を連続的に制御することに成功した。SOCパラメータαは厚さに依存し、最大で10倍まで強化可能であり、2次元半導体におけるスピントロニクスおよびトポロジカルデバイス応用に類例なき制御を可能にする。

ABSTRACT

Spin-orbit coupling (SOC) is a relativistic effect, where an electron moving in an electric field experiences an effective magnetic field in its rest frame. In crystals without inversion symmetry, it lifts the spin degeneracy and leads to many magnetic, spintronic and topological phenomena and applications. In bulk materials, SOC strength is a constant that cannot be modified. Here we demonstrate SOC and intrinsic spin-splitting in atomically thin InSe, which can be modified over an unprecedentedly large range. From quantum oscillations, we establish that the SOC parameter αis thickness-dependent; it can be continuously modulated over a wide range by an out-of-plane electric field, achieving intrinsic spin splitting tunable between 0 and 20 meV. Surprisingly, αcould be enhanced by an order of magnitude in some devices, suggesting that SOC can be further manipulated. Our work highlights the extraordinary tunability of SOC in 2D materials, which can be harnessed for in operando spintronic and topological devices and applications.

研究の動機と目的

• 原子層程度の薄さのInSeにおけるスピン軌道結合（SOC）のチューナビリティを調査すること。
• 外部ゲート電場を用いてSOC強度が電気的に制御可能かどうかを検討すること。
• SOCが層厚さおよび印加電場にどのように依存するかを特定すること。
• 少数層InSeにおける内在的スピン分裂のチューナビリティの範囲とメカニズムを確立すること。
• SOC工学を用いて、InSeがオペランドスピントロニクスおよびトポロジカル応用において果たせる可能性を評価すること。

提案手法

• 高移動度の少数層InSeデバイスにおける量子振動測定からスピン軌道結合パラメータαを抽出すること。
• バックゲートを用いた垂直方向電場を印加し、SOC強度を連続的にチューニングすること。
• 機械的剥離を用いて層厚さを制御し、厚さ依存のSOC特性を調査すること。
• 磁気輸送測定を用いてスピン分裂エネルギー準位を解明し、αを抽出すること。
• 実験データと理論モデルの比較により、チューナビリティの起源を確認すること。
• 同様の厚さおよびゲート条件下でも、特定のデバイスでSOCが最大10倍に増幅されていることの同定により、追加のチューニングメカニズムの可能性を示唆すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 少数層InSeにおけるスピン軌道結合は、ゲート電圧によって電気的にチューニング可能か？
• RQ2 InSeにおけるスピン軌道結合パラメータαは、層数にどのように依存するか？
• RQ3 InSeにおいてゲート制御によって達成可能な内在的スピン分裂の最大範囲は何か？
• RQ4 同じ厚さおよびゲート条件下でも、一部のデバイスでSOCが10倍に増幅される理由は何か？
• RQ5 2次元材料における実用的スピントロニクスおよびトポロジカル応用のため、SOCはどの程度工学的に設計可能か？

主な発見

• 少数層InSeにおけるスピン軌道結合パラメータαは、層厚さに依存しており、異なる層数で顕著な変化を示す。
• 垂直方向ゲート電圧を用いることで、内在的スピン分裂を0から20 meVの範囲で連続的にチューニング可能である。
• 特定のデバイスでは、SOC強度が最大で10倍に増幅されており、平均的傾向をはるかに上回る強い局所的チューニングが可能であることが示された。
• 量子振動測定によりスピン分裂の存在が確認され、αの高精度な抽出が可能となった。
• 観察されたチューナビリティは、バルク材料をはるかに上回り、2次元半導体における新たな制御の度合いを示している。
• 本結果は、InSeが動的再構成可能なスピントロニクスおよびトポロジカルデバイスのプラットフォームとしての可能性を強調している。