[论文解读] Large Spin Torque in Topological Insulator/Ferromagnetic Metal Bilayers

Mark H. Fischer, Abolhassan Vaezi+2 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2013

Topological Materials and Phenomena被引用 14

一句话总结

本文提出通过面内电流和面内磁化测量拓扑绝缘体/铁磁金属（TI/FM）双异质结中的自旋转移扭矩。研究识别出拓扑狄拉克表面态与自旋轨道耦合导致的Rashba分裂二维电子气（2DEG）产生的相反方向自旋扭矩贡献，从而实现对二者作用的实验区分；估算的自旋扭矩效率与重金属/FM体系相当，表明其在自旋电子学应用中具有强大潜力。

ABSTRACT

While there are several proposals on spintronic applications of the surface state's helical spin texture in three-dimensional (3D) topological insulators (TI), none has been realized yet. Motivated by recent measurements of spin-transfer torque in heavy metal (HM)/ ferromagnetic-metal (FM) structures, we propose measuring spin-transfer torque in a TI/ FM bilayer with in-plane magnetic moment and in-plane current. Based on ARPES experiments on TI/FM bilayers and transport measurements on thin TI films, we focus on the role of two types of surface states: the topological Dirac surface state and an additional two-dimensional electron gas (2DEG) with Rashba spin-orbit coupling. We find that each surface state contributes to both an out-of-plane (field-like) and an in-plane torque. However, the torques due to the topological Dirac surface state and the Rashba-split 2DEG turn out to be in opposite directions. This will allow for the experimental assessment of the dominant source of spin-torque. Finally, we estimate the spin-torque efficiency in TI/FM bilayers to be comparable to that of the HM/FM system opening up exciting prospect for applications.

研究动机与目标

• 探索在面内电流和面内磁化条件下观测拓扑绝缘体/铁磁金属（TI/FM）双异质结中自旋转移扭矩的可行性。
• 研究两种表面态——拓扑狄拉克表面态与Rashba分裂二维电子气（2DEG）——在TI/FM异质结中对自旋扭矩的独立贡献。
• 通过识别其相反方向的贡献，实现对扭矩来源的实验区分。
• 估算TI/FM系统中的自旋扭矩效率，并评估其在自旋电子学应用中的潜力。

提出的方法

• 利用ARPES测量对TI/FM双异质结进行电子结构和表面态自旋纹理的表征。
• 通过在薄TI薄膜上的输运测量，提取面内电流和面内磁化下的自旋扭矩响应。
• 对两种表面态的自旋扭矩贡献进行建模：包括拓扑狄拉克表面态和具有自旋轨道耦合的Rashba分裂2DEG。
• 分析每种表面态产生的自旋轨道扭矩分量，包括面外（场致）和面内分量。
• 通过比较两种表面态产生的扭矩在大小和方向上的相对关系，预测其在实验中的可观测性。
• 通过类比已建立的HM/FM体系，估算TI/FM系统中的自旋扭矩效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 拓扑狄拉克表面态与Rashba分裂2DEG在TI/FM双异质结中的自旋转移扭矩中分别有何贡献？
• RQ2 每种表面态产生的面外与面内扭矩分量在大小和方向上如何比较？
• RQ3 两种表面态产生的相反扭矩方向是否能够实现其贡献的实验区分？
• RQ4 TI/FM双异质结中的自旋扭矩效率相对于重金属/FM体系的估算值如何？
• RQ5 TI/FM双异质结能否支持适用于实际自旋电子学应用的自旋扭矩效应？

主要发现

• 拓扑狄拉克表面态在TI/FM双异质结中贡献了面外和面内自旋扭矩分量。
• Rashba分裂2DEG同样贡献了面外和面内扭矩，但其方向与拓扑表面态相反。
• 两种表面态产生的扭矩方向相反，为实验上区分其独立贡献提供了清晰的信号。
• 估算的TI/FM双异质结中的自旋扭矩效率与重金属/FM体系中观测到的相当，表明其在自旋电子学应用中具有强大潜力。
• 两种具有可调谐且相反自旋扭矩响应的独立表面态的存在，为探测和工程化拓扑异质结中的自旋轨道效应开辟了新途径。