[论文解读] Room Temperature Spin Pumping in Topological Insulator Bi2Se3

Mahdi Jamali, Joon Sue Lee+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2014

Topological Materials and Phenomena参考文献 5被引用 7

一句话总结

本研究通过磁化动力学实现了室温下钴铁硼（CoFeB）铁磁体向三维拓扑绝缘体Bi2Se3的自旋泵浦，利用逆自旋霍尔效应实现高效自旋注入与探测。关键结果为铁磁共振线宽扩大五倍，界面自旋混合电导最高达3.4×10^20 m⁻²，且在室温下Bi2Se3的自旋霍尔角高达0.23。

ABSTRACT

Three-dimensional (3D) topological insulators are known for their strong spin-orbit coupling and the existence of spin-textured topological surface states which could be potentially exploited for spintronics. Here, we investigate spin pumping from a metallic ferromagnet (CoFeB) into a 3D topological insulator (Bi2Se3) and demonstrate successful spin injection from CoFeB into Bi2Se3 and the direct detection of the electromotive force generated by the inverse spin Hal effect (ISHE) at room temperature. The spin pumping, driven by the magnetization dynamics of the metallic ferromagnet, introduces a spin current into the topological insulator layer, resulting in a broadening of the ferromagnetic resonance (FMR) linewidth. We find that the FMR linewidth more than quintuples, the spin mixing conductance can be as large as 3.4*10^20m^-2 and the spin Hall angle can be as large as 0.23 in the Bi2Se3 layer.

研究动机与目标

• 研究室温下拓扑绝缘体中的自旋注入与探测。
• 通过自旋泵浦探索Bi2Se3作为自旋电子学通道材料的潜力。
• 在常温条件下测量Bi2Se3中的自旋输运特性，如自旋混合电导与自旋霍尔角。
• 确认自旋电流从铁磁金属向拓扑绝缘体层的转移。
• 评估利用Bi2Se3中的逆自旋霍尔效应生成与探测自旋电流的效率。

提出的方法

• 在蓝宝石衬底上制备了CoFeB（铁磁金属）与Bi2Se3（拓扑绝缘体）的异质结构。
• 应用铁磁共振（FMR）激发CoFeB层中的动态磁化，通过自旋泵浦产生自旋流。
• 利用逆自旋霍尔效应（ISHE）检测注入Bi2Se3的自旋流，产生横向电压。
• 通过测量FMR线宽展宽，作为自旋流注入拓扑绝缘体的直接证据。
• 从FMR线宽与ISHE电压测量中提取自旋混合电导与自旋霍尔角。
• 在室温下进行测量，以评估其在自旋电子学器件中的实际可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在室温下有效实现从CoFeB铁磁体向Bi2Se3拓扑绝缘体的自旋泵浦？
• RQ2 在室温下，CoFeB与Bi2Se3之间的自旋混合电导大小是多少？
• RQ3 在室温自旋泵浦条件下，Bi2Se3的自旋霍尔角是多少？
• RQ4 自旋电流从铁磁体注入后，对拓扑绝缘体FMR线宽的展宽程度如何？
• RQ5 能否在室温下利用逆自旋霍尔效应检测Bi2Se3中的自旋流？

主要发现

• 由于向Bi2Se3的自旋泵浦，铁磁共振线宽扩大了五倍以上，证实了高效的自旋流注入。
• 在室温下，CoFeB/Bi2Se3界面的自旋混合电导最高达到3.4×10^20 m⁻²。
• 测得Bi2Se3的自旋霍尔角高达0.23，表明存在强烈的自旋-轨道耦合效应。
• 室温下成功检测到逆自旋霍尔电压，证实了拓扑绝缘体层中存在自旋流。
• 在常温条件下，观测到的自旋流转移与探测具有稳定性和可重复性，展示了其在实际自旋电子学应用中的可行性。
• 结果表明，由于其大的自旋霍尔角及在室温下高效的自旋注入能力，Bi2Se3具有作为高性能自旋电子学材料的巨大潜力。