[论文解读] Observation of Spin Hall Effect in Semimetal WTe2

Bing Zhao, Dmitrii Khokhriakov+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究实验上展示了在室温下，Weyl半金属WTe2中存在大的自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应，通过利用石墨烯的范德华异质结构来探测纯自旋电流，得益于石墨烯的长自旋相干长度。从头算计算证实了其具有高的电荷-自旋转换效率，凸显了WTe2在自旋电子学应用中的潜力。

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.

研究动机与目标

• 实验验证室温下Weyl半金属WTe2中存在大的自旋霍尔效应。
• 通过基于石墨烯的范德华异质结构，实现纯自旋电流的生成与探测。
• 通过实验与从头算理论验证，建立WTe2中的电荷-自旋转换效率。
• 基于自旋-轨道现象，探索WTe2在自旋电子学存储与逻辑电路中应用的可行性。

提出的方法

• 通过将WTe2与石墨烯集成，构建范德华异质结构，利用石墨烯的长自旋相干长度实现对自旋电流的探测。
• 施加电流传导，诱导WTe2中产生自旋霍尔效应，生成横向自旋电流。
• 利用石墨烯中的逆自旋霍尔效应，将自旋电流转换为可测量的电荷电压。
• 采用从头算计算支持实验观测，并量化自旋霍尔电导率。
• 通过在相同器件结构中测量自旋霍尔效应与逆自旋霍尔效应，验证Onsager互惠关系。
• 测量自旋电流在WTe2/石墨烯界面处的传输，评估自旋传输效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在室温下实验观测到Weyl半金属WTe2中的大自旋霍尔效应？
• RQ2 基于石墨烯的异质结构能否探测到WTe2中由自旋霍尔效应产生的纯自旋电流？
• RQ3 通过实验与从头算计算确定的WTe2中电荷-自旋转换效率是多少？
• RQ4 观测到的WTe2中的自旋霍尔效应是否满足Onsager互惠关系？
• RQ5 WTe2在自旋电子学器件架构中作为高效自旋电流发生器的潜力有多大？

主要发现

• 在室温下直接观测到WTe2中的大自旋霍尔效应，证实其具有强自旋-轨道耦合与自旋纹理。
• 在同一器件中测量到逆自旋霍尔效应，验证了Onsager互惠关系，并实现了对自旋电流的定量探测。
• 通过利用石墨烯的长自旋相干长度，成功探测到WTe2中生成的纯自旋电流。
• 从头算计算支持实验结果，表明WTe2具有高的电荷-自旋转换效率。
• 结果表明，由于高效的自旋-轨道诱导现象，WTe2在自旋电子学存储与逻辑电路中具有巨大潜力。
• 实验设置证实，即使在常温常压条件下，WTe2也能高效地将电流传导转换为自旋电流。