[論文レビュー] Observation of Spin Hall Effect in Semimetal WTe2

Bing Zhao, Dmitrii Khokhriakov+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、グラフェンを用いたファンデルワールスヘテロ構造を活用して、室温におけるワイル半金属WTe2における大きなスピンホール効果および逆スピンホール効果を実験的に示した。グラフェンの長いスピンcoherence長を活かして、純粋なスピン電流の検出が可能となった。第一原理計算により高い電荷-スピン変換効率が確認され、WTe2がスピントロニクス応用において有望であることが示された。

ABSTRACT

Discovery of topological Weyl semimetals has revealed the opportunities to realize several extraordinary physical phenomena in condensed matter physics. Specifically, these semimetals with strong spin-orbit coupling, broken inversion symmetry and novel spin texture are predicted to exhibit a large spin Hall effect that can efficiently convert the charge current to a spin current. Here we report the direct experimental observation of a large spin Hall and inverse spin Hall effects in Weyl semimetal WTe2 at room temperature obeying Onsager reciprocity relation. We demonstrate the detection of the pure spin current generated by spin Hall phenomenon in WTe2 by making van der Waals heterostructures with graphene, taking advantage of its long spin coherence length and spin transmission at the heterostructure interface. These experimental findings well supported by ab initio calculations show a large charge-spin conversion efficiency in WTe2; which can pave the way for utilization of spin-orbit induced phenomena in spintronic memory and logic circuit architectures.

研究の動機と目的

• 室温におけるワイル半金属WTe2に顕著なスピンホール効果が存在することを実験的に検証すること。
• グラフェンベースのファンデルワールスヘテロ構造を用いて、WTe2における純粋なスピン電流の生成と検出を実証すること。
• 実験的および第一原理的理論的検証を通じて、WTe2における電荷-スピン変換効率を確立すること。
• スピン軌道効果に基づくスピントロニクスメモリおよび論理回路へのWTe2の利用可能性を検討すること。

提案手法

• グラフェンの長いスピンcoherence長を活用してスピン電流検出を可能にするため、WTe2とグラフェンを統合したファンデルワールスヘテロ構造の作製。
• WTe2に電流を印加してスピンホール効果を誘発し、横方向のスピン電流を生成する。
• グラフェンにおける逆スピンホール効果を用いて、スピン電流を測定可能な電荷電圧に変換する。
• 実験的観察を裏付けるために第一原理計算を用い、スピンホール電導度を定量的に評価する。
• 同一デバイス構成でスピンホール効果および逆スピンホール効果を測定することで、オンサッガー相反性の検証を行う。
• WTe2/グラフェン界面を介したスピン電流輸送を測定し、スピン透過効率を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温におけるワイル半金属WTe2に顕著なスピンホール効果を実験的に観測できるか？
• RQ2 WTe2におけるスピンホール効果によって生成された純粋なスピン電流は、グラフェンベースのヘテロ構造で検出可能か？
• RQ3 実験的および第一原理的計算によって、WTe2における電荷-スピン変換効率はどのように特定されるか？
• RQ4 観測されたWTe2のスピンホール効果は、オンサッガー相反性関係を満たしているか？
• RQ5 WTe2は、スピントロニクスデバイス構造において、高効率のスピン電流生成源としてどの程度実用可能か？

主な発見

• 室温におけるWTe2に顕著なスピンホール効果が直接観測され、強いスピン軌道結合およびスピンテクスチャーを確認した。
• 同じデバイスで逆スピンホール効果が測定され、オンサッガー相反性が検証され、スピン電流の定量的検出が可能となった。
• WTe2で生成された純粋なスピン電流が、グラフェンの長いスピンcoherence長を活かしてスピン透過により効果的に検出された。
• 第一原理計算は実験的発見を裏付け、WTe2における高い電荷-スピン変換効率を示唆している。
• 結果として、WTe2は効率的なスピン軌道誘起現象のおかげで、スピントロニクスメモリおよび論理回路への応用が顕著に有望であることが示された。
• 実験的設定により、WTe2が環境条件下でも電流をスピン電流に効率的に変換できることを確認した。