[논문 리뷰] Observation of Spin Hall Effect in Semimetal WTe2

Bing Zhao, Dmitrii Khokhriakov외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 05.

Topological Materials and Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 그래핀을 이용한 반데르발스 이종구조를 통해 순수 스핀 전류를 탐지할 수 있는 긴 스핀 공명 길이를 지닌 그래핀의 특성을 활용하여, 실온에서 와이울 세미메탈 WTe₂에서 큰 스핀 홀 효과 및 역스핀 홀 효과를 실험적으로 입증한다. 아비 시노리 계산은 높은 전하-스핀 변환 효율성을 확인하여 WTe₂가 스핀트로닉스 응용 분야에서의 잠재력을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 와이울 세미메탈 WTe₂에서 실온에서 큰 스핀 홀 효과가 실험적으로 확인되는지 검증하는 것.
• 그래핀 기반 반데르발스 이종구조를 이용해 WTe₂에서 순수 스핀 전류의 생성 및 탐지를 보여주는 것.
• 실험적 및 아비 시노리 이론적 검증을 통해 WTe₂의 전하-스핀 변환 효율성을 확립하는 것.
• 스핀-오르빗 현상 기반 스핀트로닉스 메모리 및 논리 회로 설계에 WTe₂를 활용할 수 있는 가능성 탐색

제안 방법

• 그래핀의 긴 스핀 공명 길이 특성을 활용하기 위해 WTe₂와 그래핀을 통합하여 반데르발스 이종구조를 제작하는 것.
• 전류를 인가하여 WTe₂에서 스핀 홀 효과를 유도하고 횡방향 스핀 전류를 생성하는 것.
• 스핀 전류를 측정 가능한 전압으로 변환하기 위해 그래핀에서의 역스핀 홀 효과를 활용하는 것.
• 실험적 관측를 지지하고 스핀 홀 전도도를 정량화하기 위해 아비 시노리 계산을 적용하는 것.
• 동일한 장치 구조에서 스핀 홀 효과와 역스핀 홀 효과를 측정함으로써 온사거 상호보정 법칙을 검증하는 것.
• WTe₂/그래핀 인터페이스를 통해 스핀 전류의 전송 특성을 측정하여 스핀 전송 효율을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 와이울 세미메탈 WTe₂에서 실온에서 큰 스핀 홀 효과를 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 스핀 홀 효과에 의해 생성된 순수 스핀 전류가 그래핀 기반 이종구조를 통해 탐지 가능한가?
• RQ3 실험 및 아비 시노리 계산을 통해 도출된 WTe₂의 전하-스핀 변환 효율은 얼마인가?
• RQ4 관측된 WTe₂의 스핀 홀 효과는 온사거 상호보정 법칙을 따르는가?
• RQ5 WTe₂는 스핀트로닉스 장치 아키텍처에서 높은 효율의 스핀 전류 생성기로 얼마나 유용한가?

주요 결과

• 실온에서 WTe₂에서 큰 스핀 홀 효과가 직접 관측되어 강한 스핀-오르빗 결합성과 스핀 텍스처를 확인하였다.
• 동일한 장치에서 역스핀 홀 효과가 측정되어 온사거 상호보정 법칙이 검증되었고, 스핀 전류의 정량적 탐지가 가능해졌다.
• 스핀 공명 길이가 긴 그래핀을 활용하여 WTe₂에서 생성된 순수 스핀 전류가 성공적으로 탐지되었다.
• 아비 시노리 계산은 실험 결과를 지지하며, WTe₂에서 높은 전하-스핀 변환 효율성을 나타내었다.
• 결과적으로 WTe₂는 효율적인 스핀-오르빗 유도 현상 덕분에 스핀트로닉스 메모리 및 논리 회로 응용에 매우 높은 잠재력을 보여주었다.
• 실험적 설정은 실온 조건에서도 WTe₂가 전류를 스핀 전류로 효과적으로 변환할 수 있음을 확인하였다.