[论文解读] Unveiling the polarity of the spin-to-charge current conversion in $Bi_2Se_3$

J. B. S. Mendes, M. Gamino+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 47被引用 4

一句话总结

本研究调查了在YIG和Permalloy上溅射生长的Bi₂Se₃薄膜中自旋-电荷电流转换现象，归因于逆Rashba-Edelstein效应（IREE）。作者确定IREE长度为1.2–2.2 pm，证实表面态主导了自旋-电荷转换，且发现Bi₂Se₃的极性与Ta相同——与Pt相反，凸显其在高效自旋电子器件中的潜力。

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.

研究动机与目标

• 研究拓扑绝缘体Bi₂Se₃中自旋-电荷电流转换的机制与极性。
• 确定表面态与自旋扩散在自旋-电荷转换中所占的相对贡献。
• 将Bi₂Se₃中自旋-电荷转换的极性与Pt和Ta等传统重金属进行比较。
• 通过厚度依赖性测量量化Bi₂Se₃中逆Rashba-Edelstein效应（IREE）的效率。
• 评估Bi₂Se₃/YIG与Bi₂Se₃/Permalloy异质结构在高效自旋电子器件中的潜力。

提出的方法

• 利用YIG和Permalloy中的铁磁共振实现自旋泵浦，向Bi₂Se₃薄膜注入纯自旋电流。
• 通过横向电压构型测量Bi₂Se₃/铁磁体界面产生的电荷电流。
• 改变Bi₂Se₃薄膜厚度，通过厚度依赖性分析提取逆Rashba-Edelstein长度（λ_IREE）。
• 以逆Rashba-Edelstein效应（IREE）为主要理论框架，解释自旋-电荷转换机制。
• 将Bi₂Se₃中自旋-电荷转换的极性与Pt和Ta进行比较，以确立其相对行为。
• 使用自旋扩散模型作为次要对比方法，评估其与观测效应的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Bi₂Se₃中，主导自旋-电荷电流转换的机制是表面态还是自旋扩散？
• RQ2 Bi₂Se₃中自旋-电荷电流转换的极性是什么？其与Pt和Ta相比有何差异？
• RQ3 Bi₂Se₃中自旋-电荷转换效率如何随薄膜厚度变化？
• RQ4 Bi₂Se₃的拓扑保护表面态在逆Rashba-Edelstein效应中贡献程度如何？
• RQ5 Bi₂Se₃与YIG和Permalloy构成的异质结构能否实现高效、快速的自旋电子器件？

主要发现

• 逆Rashba-Edelstein效应（IREE）是Bi₂Se₃中自旋-电荷电流转换的主导机制，其IREE长度为1.2–2.2 pm。
• Bi₂Se₃中的自旋-电荷转换表现出与Ta相同的极性，与Pt相反，表明其具有独特的自旋-轨道耦合行为。
• Bi₂Se₃的表面态在自旋-电荷转换中起主导作用，而自旋扩散过程则起次要作用。
• 测得的IREE长度与拓扑绝缘体中自旋-轨道耦合的预期尺度一致。
• YIG/Permalloy的磁性特性与Bi₂Se₃的无耗散表面态相结合，实现了高效的自旋-电荷转换。
• 结果支持基于Bi₂Se₃的异质结构在下一代具有高速度和低能量耗散特性的自旋电子器件中的应用潜力。