[논문 리뷰] Unveiling the polarity of the spin-to-charge current conversion in $Bi_2Se_3$

J. B. S. Mendes, M. Gamino외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 29.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 47인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 YIG 및 퍼멀로이 상에서 스퍼터 증착된 Bi₂Se₃ 얇은 필름에서 스핀에서 전하 전류로의 변환을 조사하며, 이 효과는 역 라슈바-에델슈타인 효과(IREE)에 기인한다고 밝힌다. 저자들은 IREE 길이가 1.2–2.2 pm임을 규명하여 표면 상태가 스핀-전하 변환을 지배함을 확인하고, Bi₂Se₃가 Pt와는 반대로 Ta와 동일한 극성을 나타내며, 효율적인 스핀트로닉스 장치에 잠재적임을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 상태수의 Bi₂Se₃에서 스핀에서 전하 전류로의 변환 메커니즘과 극성 조사.
• 표면 상태와 스핀 확산이 스핀-전하 변환에 기여하는 상대적 기여도 규명.
• 기존의 밀도가 높은 금속인 Pt와 Ta와의 스핀-전하 변환 극성 비교.
• 두께 의존 측정을 통해 Bi₂Se₃에서의 역 라슈바-에델슈타인 효과(IREE)의 효율도 정량화.
• Bi₂Se₃/YIG 및 Bi₂Se₃/퍼멀로이 이중막이 고효율 스핀트로닉스 장치에 적합한지 평가.

제안 방법

• YIG 및 퍼멀로이에서 자성 공명을 통한 스핀 펌프를 이용해 순수한 스핀 전류를 Bi₂Se₃ 필름에 주입.
• 가로 방향 전압 구성으로 Bi₂Se₃/자성체 인터페이스에서 발생하는 전하 전류 측정.
• 두께 의존 분석을 통해 역 라슈바-에델슈타인 길이(λ_IREE) 추출을 위해 Bi₂Se₃ 필름 두께 다양화.
• 스핀-전하 변환 메커니즘을 해석하기 위해 주로 역 라슈바-에델슈타인 효과(IREE) 이론 프레임워크 사용.
• Pt 및 Ta와의 스핀-전하 변환 극성 비교를 통해 Bi₂Se₃의 상대적 행동 규명.
• 관측된 효과에 대한 관련성 평가를 위해 스핀 확산 모델을 보조 비교로 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi₂Se₃에서 스핀에서 전하 전류로의 변환을 주도하는 메커니즘은 표면 상태인지, 스핀 확산인지?
• RQ2 Bi₂Se₃에서 스핀-전하 전류 변환의 극성은 무엇이며, Pt 및 Ta와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ3 Bi₂Se₃에서 스핀-전하 변환 효율은 필름 두께에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 Bi₂Se₃의 위상적으로 보호된 표면 상태는 역 라슈바-에델슈타인 효과에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 YIG 및 퍼멀로이와의 Bi₂Se₃ 이중막은 효율적이고 빠른 스핀트로닉스 장치를 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 역 라슈바-에델슈타인 효과(IREE)는 Bi₂Se₃에서 스핀에서 전하 전류로의 변환을 주도하는 메커니즘으로, IREE 길이 1.2–2.2 pm임을 확인.
• Bi₂Se₃에서의 스핀-전하 변환은 Pt와는 반대로 Ta와 동일한 극성을 보이며, 이는 스핀-오르빗 결합 행동이 다름을 시사.
• Bi₂Se₃의 표면 상태가 스핀-전하 변환에서 지배적 역할을 하며, 스핀 확산은 보조적 기여.
• 측정된 IREE 길이는 위상적 절연체에서 기대되는 스핀-오르빗 결합 척도와 일치.
• YIG/퍼멀로이의 자성 특성과 Bi₂Se₃의 손실 없는 표면 상태 조합이 효율적인 스핀-전하 변환 가능.
• 결과는 Bi₂Se₃ 기반 이중막이 고속 및 저에너지 손실을 특징으로 하는 차세대 스핀트로닉스 장치 잠재력 제공함을 뒷받침.