[論文レビュー] Topological Surface States Originated Spin-Orbit Torques in Bi2Se3

Yi Wang, Praveen Deorani+5 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 2被引用数 32

ひとこと要約

本研究では、強いスピン軌道結合のおかげで、ヒスチジウムセレン化物（Bi2Se3）のトポロジカル表面状態が、非常に効率的なスピン軌道トーキーを生成することを示している。スピン軌道磁気共鳴法を用いて、300 Kで約0.047のスピン軌道トーキー比が50 K未塔で約0.42に9倍に増加することを確認し、トポロジカル表面状態がトーキーの起源であることを裏付け、Bi2Se3が次世代スピントロニクス素子における効率的なスピン電流源として有望であることを示している。

ABSTRACT

Three dimensional topological insulator bismuth selenide (Bi2Se3) is expected to possess strong spin-orbit coupling and spin-textured topological surface states, and thus exhibit a high charge to spin current conversion efficiency. We evaluate spin-orbit torques in Bi2Se3/Co40Fe40B20 devices at different temperatures by spin torque ferromagnetic resonance measurements. As temperature decreases, the spin-orbit torque ratio increases from ~ 0.047 at 300 K to ~ 0.42 below 50 K. Moreover, we observe a significant out-of-plane torque at low temperatures. Detailed analysis indicates that the origin of the observed spin-orbit torques is topological surface states in Bi2Se3. Our results suggest that topological insulators with strong spin-orbit coupling could be promising candidates as highly efficient spin current sources for exploring next generation of spintronic applications.

研究の動機と目的

• 三次元トポロジカル絶縁体Bi2Se3におけるスピン軌道トーキーの起源を調査すること。
• トポロジカル表面状態がスピン軌道トーキー効率に顕著に寄与しているかどうかを特定すること。
• Bi2Se3/Co40Fe40B20ヘテロ構造における温度依存のスピン軌道トーキー行動を評価すること。
• トポロジカル絶縁体がスピントロニクス応用における効率的なスピン電流源としての可能性を確立すること。

提案手法

• 300 Kから50 K未塔までの温度範囲で、Bi2Se3/Co40Fe40B20ヘテロ構造に対してスピン軌道磁気共鳴（ST-FMR）測定を実施した。
• スピン軌道トーキー比は、マイクロ波周波数および面内磁場に対するFMR信号の依存性から抽出された。
• 温度依存測定を300 Kから50 K未塔まで実施し、熱的要因がトーキー効率に与える影響を評価した。
• 体積状態と表面状態の寄与を区別するために、垂直方向トーキー成分の詳細な解析を実施した。
• 観測されたトーキー行動とトポロジカル表面状態のスピンテクスチャーとの相関を理論的モデリングにより検証した。
• 体積輸送特性との比較により、体積状態からの寄与が除外され、表面状態が主因であることが明らかになった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi2Se3におけるスピン軌道トーキーの起源は、体積状態かトポロジカル表面状態か？
• RQ2 温度がBi2Se3におけるスピン軌道トーキー生成効率にどのように影響するか？
• RQ3 トポロジカル表面状態が垂直方向スピン軌道トーキー成分にどの程度寄与しているか？
• RQ4 Bi2Se3はそのトポロジカル表面状態のおかげで、非常に効率的なスピン電流源として機能できるか？
• RQ5 低温下におけるBi2Se3のスピン軌道トーキー比は、従来の材料と比べてどうか？

主な発見

• Bi2Se3におけるスピン軌道トーキー比は、300 Kで約0.047から50 K未塔で約0.42に増加し、顕著な温度依存的増強が示された。
• 低温で顕著な垂直方向スピン軌道トーキー成分が観測され、これはトポロジカル表面状態のスピンテクスチャーに起因するとされた。
• 体積輸送特性との比較および温度依存行動の分析により、観測されたスピン軌道トーキーは主にトポロジカル表面状態に起因することが確認された。
• 低温での高いスピン軌道トーキー効率は、Bi2Se3が効率的なスピン電流生成に適した候補である可能性を示唆している。
• 本研究では、強いスピン軌道結合を有するトポロジカル絶縁体が、高効率な電荷-スピン電流変換を達成できることを示した。
• 本研究では、トポロジカル表面状態がBi2Se3におけるスピン軌道トーキーの主因であり、体積状態からの寄与は最小限であることが確認された。