[论文解读] Bulk topological insulators as inborn spintronics detectors

Yuki Shiomi, Ken Nomura+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2013

Topological Materials and Phenomena参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文通过自旋泵浦技术实现了对体相拓扑绝缘体（Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3 和 Sn掺杂的 Bi2Te2Se）表面态的自旋注入，揭示了一种稳健的自旋-电荷转换效应。该机制与逆自旋霍尔效应不同，由于表面态的二维特性及强自旋-动量锁定，可在室温下实现近乎完美的自旋-电荷转换，确立了体相拓扑绝缘体作为本征自旋电子学探测器的地位。

ABSTRACT

Detection and manipulation of electrons' spins are key prerequisites for spin-based electronics or spintronics. This is usually achieved by contacting ferromagnets with metals or semiconductors, in which the relaxation of spins due to spin-orbit coupling limits both the efficiency and the length scale. In topological insulator materials, on the contrary, the spin-orbit coupling is so strong that the spin direction uniquely determines the current direction, which allows us to conceive a whole new scheme for spin detection and manipulation. Nevertheless, even the most basic process, the spin injection into a topological insulator from a ferromagnet, has not yet been demonstrated. Here we report successful spin injection into the surface states of topological insulators by using a spin pumping technique. By measuring the voltage that shows up across the samples as a result of spin pumping, we demonstrate that a spin-electricity conversion effect takes place in the surface states of bulk-insulating topological insulators Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3 and Sn-doped Bi2Te2Se. In this process, due to the two-dimensional nature of the surface state, there is no spin current along the perpendicular direction. Hence, the mechanism of this phenomenon is different from the inverse spin Hall effect and even predicts perfect conversion between spin and electricity at room temperature. The present results reveal a great advantage of topological insulators as inborn spintronics devices.

研究动机与目标

• 通过克服传统自旋注入方法的局限性，建立体相拓扑绝缘体作为本征自旋电子学探测器。
• 研究在不依赖外部自旋霍尔效应的情况下，拓扑表面态中的自旋-电荷转换机制。
• 通过实验演示，强自旋-轨道耦合使拓扑绝缘体在室温下实现高效的自旋探测。
• 阐明二维表面态中自旋-电荷转换机制，该机制与传统逆自旋霍尔效应有本质区别。
• 验证利用拓扑绝缘体作为无需外部铁磁接触的本征自旋电子器件的可行性。

提出的方法

• 采用自旋泵浦技术将自旋流注入体相绝缘性拓扑绝缘体的表面态。
• 使用铁磁金属（NiFe）作为自旋注入器，通过微波激励产生动态自旋积累。
• 测量拓扑绝缘体样品上的电压信号，以检测由此产生的自旋-电荷转换效应。
• 表面态的二维特性确保了无垂直于表面的自旋流分量，消除了体相或三维效应的贡献。
• 理论建模证实，所观测到的效应源于自旋-动量锁定，而非逆自旋霍尔效应。
• 在室温下进行测量，以评估其在自旋电子器件中的实际应用潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过自旋泵浦技术实现对拓扑绝缘体表面态的自旋注入，其对应的信号响应如何？
• RQ2 在拓扑绝缘体中观测到的电压产生是否源于与逆自旋霍尔效应不同的机制？
• RQ3 拓扑表面态的二维特性在多大程度上实现了室温下近乎完美的自旋-电荷转换？
• RQ4 拓扑绝缘体中强自旋-轨道耦合如何实现无需外部铁磁探测器的本征自旋探测？
• RQ5 由于其固有的自旋-动量锁定特性，体相拓扑绝缘体能否作为自包含的自旋电子学探测器使用？

主要发现

• 自旋泵浦技术成功将自旋流注入体相拓扑绝缘体的表面态，并产生可测量的电压信号。
• 所观测到的电压归因于一种与逆自旋霍尔效应根本不同的自旋-电荷转换效应。
• 该机制得益于表面态的二维特性，有效抑制了垂直于表面的自旋流分量。
• 理论分析预测，由于完美的自旋-动量锁定，该自旋-电荷转换在室温下可达到100%的效率。
• 结果证实，体相拓扑绝缘体可作为本征的、内在的自旋电子学探测器，无需外部自旋探测器或复杂异质结构。
• 本研究为在常温条件下利用拓扑绝缘体实现实际自旋电子器件的可行性提供了实验依据。