[論文レビュー] Unveiling the polarity of the spin-to-charge current conversion in $Bi_2Se_3$

J. B. S. Mendes, M. Gamino+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 47被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、YIGおよびパルマロイ上にスパッタ堆積されたBi₂Se₃薄膜におけるスピンから電流への変換を調査し、その効果が逆ラシュバ＝エーデルシュタイン効果（IREE）に起因することを明らかにした。著者らは、IREE長を1.2–2.2 pmと特定し、表面状態がスピン-電流変換を支配していることを確認した。また、Bi₂Se₃はPtとは逆にTaと同一の極性を示すことが判明し、効率的なスピントロニクス素子への応用可能性が示唆された。

ABSTRACT

We report an investigation of the spin- to charge-current conversion in sputter-deposited films of topological insulator $Bi_2Se_{3}$ onto single crystalline layers of YIG $(Y_{3}Fe_{5}O_{12})$ and polycrystalline films of Permalloy $(Py = Ni_{81}Fe_{19})$. Pure spin current was injected into the $Bi_{2}Se_{3}$ layer by means of the spin pumping process in which the spin precession is obtained by exciting the ferromagnetic resonance of the ferromagnetic film. The spin-current to charge-current conversion, occurring at the $Bi_{2}Se_{3}/$ferromagnet interface, was attribute to the inverse Rashba-Edelstein effect (IREE). By analyzing the data as a function of the $Bi_{2}Se_{3}$ thickness we calculated the IREE length used to characterize the efficiency of the conversion process and found that 1.2 pm $\leq|λ_{IREE}|\leq$ 2.2 pm. These results support the fact that the surface states of $Bi_{2}Se_{3}$ have a dominant role in the spin-charge conversion process, and the mechanism based on the spin diffusion process plays a secondary role. We also discovered that the spin- to charge-current mechanism in $Bi_{2}Se_{3}$ has the same polarity as the one in Ta, which is the opposite to the one in Pt. The combination of the magnetic properties of YIG and Py, with strong spin-orbit coupling and dissipationless surface states topologically protected of $Bi_{2}Se_{3}$ might lead to spintronic devices with fast and efficient spin-charge conversion.

研究の動機と目的

• トポロジカル絶縁体Bi₂Se₃におけるスピン-電流変換のメカニズムと極性を調査すること。
• 表面状態とスピン拡산の両者がスピン-電流変換に与える相対的寄与を特定すること。
• Pt やTa などの従来の重金属と比較して、Bi₂Se₃におけるスピン-電流変換の極性を評価すること。
• 膜厚依存測定を用いて、Bi₂Se₃における逆ラシュバ＝エーデルシュタイン効果（IREE）の効率を定量すること。
• Bi₂Se₃/YIGおよびBi₂Se₃/パルマロイヘテロ構造が、高効率スピントロニクス素子に適しているかどうかを評価すること。

提案手法

• YIGおよびパルマロイにおける磁気共鳴を用いたスピンポンプを用いて、Bi₂Se₃膜に純粋なスピン電流を注入した。
• 横方向電圧配置を用いて、Bi₂Se₃/鉄磁性体界面で発生した電荷電流を測定した。
• 膜厚を変化させることで、厚さ依存解析を用いて逆ラシュバ＝エーデルシュタイン長（λ_IREE）を抽出した。
• スピン-電流変換メカニズムを解釈する主な理論的枠組みとして、逆ラシュバ＝エーデルシュタイン効果（IREE）を用いた。
• Pt やTa におけるスピン-電流変換の極性と比較することで、Bi₂Se₃ の相対的挙動を確立した。
• スピン拡散モデルを二次的比較として用い、観測された効果への関連性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi₂Se₃におけるスピン-電流変換の主なメカニズムは表面状態かスピン拡散か？
• RQ2 Bi₂Se₃におけるスピン-電流変換の極性は何か？ また、Pt やTa と比較してどう異なるか？
• RQ3 膜厚に応じてBi₂Se₃におけるスピン-電流変換効率はどのように変化するか？
• RQ4 Bi₂Se₃のトポロジカルに保護された表面状態は、逆ラシュバ＝エーデルシュタイン効果にどの程度寄与しているか？
• RQ5 YIGおよびパルマロイと結合したBi₂Se₃ヘテロ構造は、効率的で高速なスピントロニクス素子の実現に寄与できるか？

主な発見

• 逆ラシュバ＝エーデルシュタイン効果（IREE）が、Bi₂Se₃におけるスピン-電流変換の主なメカニズムであり、IREE長は1.2–2.2 pmであった。
• Bi₂Se₃におけるスピン-電流変換は、Ta と同じ極性を示し、Pt とは逆であるため、スピン軌道結合の異なる挙動を示している。
• Bi₂Se₃の表面状態がスピン-電流変換において支配的役割を果たしており、スピン拡散は二次的寄与であった。
• 測定されたIREE長は、トポロジカル絶縁体におけるスピン軌道結合の期待されるスケールと整合的であった。
• YIG/パルマロイの磁気的性質とBi₂Se₃のエネルギー損失のない表面状態の組み合わせが、効率的なスピン-電流変換を可能にした。
• 本結果は、次世代の高速かつ低エネルギー損失のスピントロニクス素子に向けたBi₂Se₃ベースのヘテロ構造の可能性を支持している。