[論文レビュー] Spin to charge conversion in MoS$_{2}$ monolayer with spin pumping

Cheng Cheng, Martin Collet+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2015

2D Materials and Applications参考文献 36被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、コバルト強磁性層からのスピンポンプを介して、モリブデンディチカルコゲナイド（MoS₂）のモノレイヤーで非常に効率的なスピンから電荷への変換を実証した。逆ラシュバ・エデルシュタイン効果により、室温で4 nmを超えるスピンホール長が得られ、バックゲーティングによるスピン緩和の電気的制御が可能であり、MoS₂がスピンオービットロニクス素子において大きな可能性を秘めていることが示された。

ABSTRACT

Layered transition-metal dichalcogenides (TMDs) family are gaining increasing importance due to their unique electronic band structures, promising interplay among light, valley (pseudospin), charge and spin degrees of freedom. They possess large intrinsic spin-orbit interaction which make them most relevant for the emerging field of spin-orbitronics. Here we report on the conversion of spin current to charge current in MoS2 monolayer. Using spin pumping from a ferromagnetic layer (10 nm of cobalt) we find that the spin to charge conversion is highly efficient. Analysis in the frame of the inverse Rashba-Edelstein (RE) effect yields a RE length in excess of 4 nm at room temperature. Furthermore, owing to the semiconducting nature of MoS$_{2}$, it is found that back-gating allows electrical field control of the spin-relaxation rate of the MoS$_{2}$-metallic stack.

研究の動機と目的

• 強いスピン軌道結合を有する2次元遷移金属ジ chalcogenide であるモノレイヤーMoS₂におけるスピンから電荷への変換を調査すること。
• 強磁性コバルト層からのスピンポンプを用いたスピン電流から電流への変換効率を検討すること。
• MoS₂–金属ヘテロ構造におけるスピン緩和ダイナミクスに及ぼす電気的ゲーティングの影響を検討すること。
• 室温における逆ラシュバ・エデルシュタイン効果に関連するスピンホール長を定量すること。

提案手法

• 10 nmのコバルト強磁性層を用いたスピンポンプを用いて、モノレイヤーMoS₂チャネルにスピン電流を注入する。
• スピン電流は逆ラシュバ・エデルシュタイン効果により電流に変換され、その解析からスピンホール長を抽出する。
• バックゲーティングを施してMoS₂内のキャリア密度を変調し、スピン緩和率の電気的制御を可能にする。
• 生成された電流を検出するために、フェロ磁性共鳴および電気的輸送測定を用いてシステムを特徴付ける。
• 実験データの解釈およびスピンホール長の抽出のために、逆ラシュバ・エデルシュタインフレームワーク内での理論的モデリングを用いる。
• 観察されたスピン輸送行動を説明するために、MoS₂の半導体的性質およびそのバンド構造を考慮した分析を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピンポンプ下でのモノレイヤーMoS₂におけるスピンから電荷への変換効率はいかほどか？
• RQ2 逆ラシュバ・エデルシュタイン効果はMoS₂にどのように現れるのか。室温におけるその結果としてのスピンホール長は何か？
• RQ3 金属層とヘテロ構造を形成したMoS₂において、バックゲーティングによりスピン緩和率を電気的にチューニングできるか？
• RQ4 MoS₂の固有のスピン軌道結合は、効率的なスピンから電荷への変換を可能にする上で果たす役割は何か？
• RQ5 MoS₂の半導体的性質は、デバイス構成におけるスピン輸送および緩和ダイナミクスにどのように影響を与えるか？

主な発見

• モノレイヤーMoS₂におけるスピンから電荷への変換効率は非常に高く、測定された逆ラシュバ・エデルシュタイン効果により、室温で4 nmを超えるスピンホール長が得られた。
• MoS₂–金属スタックにおけるスピン緩和率はバックゲーティングにより電気的に変調可能であり、スピンダイナミクスのチューナビリティが実証された。
• 4 nmを超える観察されたスピンホール長は、強いスピン軌道結合とスピンオービットロニクス応用への高い可能性を示している。
• MoS₂の半導体的性質により、電気的ゲーティングによるスピン緩和の効果的制御が可能であり、これは金属では容易に得られない特性である。
• 実験結果は、逆ラシュバ・エデルシュタイン効果に基づく理論的モデリングと整合的であり、スピンから電荷への変換のメカニズムが確認された。
• 本システムは、2次元遷移金属ジチalcogenideにおける強固でゲート制御可能なスピン電流変換パスを示している。