为未来自旋电子学量化WTe2中的自旋| ARC未来低能电子技术卓越中心

研究小组研究员陈正博士(皇家理工大学)

本周发表的一项由rmit领导的国际合作，在量子自旋霍尔绝缘体中观察到大的面内各向异性磁电阻(AMR)，并且可以很好地定义边缘态的自旋量化轴。

量子自旋霍尔绝缘体(QSHIs)是一种二维物质状态，具有绝缘体和显示自旋动量锁定的非耗散螺旋边缘状态，是开发未来低能纳米电子和自旋电子器件的有前途的选择．

RMIT、新南威尔士大学和华南师范大学(中国)的研究人员的FLEET合作首次证实了单层WTe中存在大的面内AMR₂这是一种具有更高临界温度的新型QSHI。

通过允许导电而不浪费能量耗散，这种材料可以形成新一代超低能量电子产品的基础。

左:单层WTe₂器件(比例尺= 5um)。右:不同温度下的栅极依赖电导**

拓扑绝缘体的兴起为寻求非耗散输运的研究人员提供了巨大的希望，从而解决了已经观察到的摩尔定律的停滞。

与之前报道的量子阱系统不同，该系统只能在低温下表现出量化的边缘输运，最近在预测的大带隙QSHI中观察到100 K的量化边缘输运，单层WTe₂，为QSHI的应用提供了更多的思路。

该研究的第一作者Cheng Tan博士说:“尽管我们在堆叠范德华(vdW)异质结构方面获得了很多经验，但制造单层vdW器件对我们来说仍然是一个挑战。”

“因为单层WTe₂由于纳米薄片难以获得，我们首先将重点放在一种更成熟的材料石墨烯上，以开发制备单层WTe的最佳方法₂vdW设备”Cheng说，他是墨尔本RMIT大学的FLEET研究员。

作为单层WTe₂纳米片对空气也非常敏感，应该利用惰性hBN纳米片制成的保护性“盔甲”来封装它们。此外，在进行一系列室外测试之前，组装是在一个无氧无水的手套箱中进行的。经过一番努力，该团队成功地制备了单层WTe₂栅极电极器件，并观察到典型的栅极单层WTe传输行为₂．

研究人员郑国林博士(RMIT)

“对于未来用于自旋电子器件的材料，我们需要一种方法来确定自旋特性，特别是自旋方向，”同样来自RMIT的郑国林博士说。

然而，在单层WTe₂自旋动量锁定(QSHI的一个基本属性)以及自旋量化轴在其螺旋边缘状态是否可以确定还有待实验证明。”

各向异性磁电阻(AMR)是一种有效的输运测量方法，可以揭示电流自旋极化时电子自旋与动量之间的关系。

考虑到QSHI的边缘状态只允许自旋极化电子的输运，该团队随后使用AMR测量来探索单层WTe边缘状态下潜在的自旋动量锁定₂．

“幸运的是，我们找到了处理单层WTe的合适方法₂合著者向飞翔博士(新南威尔士大学)说。“因此，我们进行了角度相关的输运测量，以探索边缘状态下潜在的自旋特征。”

向飞翔博士(新南威尔士大学)

然而，拓扑边缘状态并不是导致QSHI中自旋动量锁定和面内AMR效应的唯一可能原因。Rashba分裂也可能产生类似的效果，这可能会使实验结果不明确。

“幸运的是，拓扑边缘状态和Rashba分裂诱导了非常不同的门相关的面内AMR行为，因为这两种情况下的带结构仍然非常不同。合著者亚历克斯·汉密尔顿教授(也是新南威尔士大学的)说。

“大多数样品表明，当磁场几乎垂直于边缘电流方向时，面内AMR最小。程说。

华南师范大学的合作者进一步的理论计算进一步证实了电子在单层WTe边缘状态下的自旋₂应该总是垂直于它们的传播方向，所谓的“自旋动量锁定”。

单层WTe中观察到的面内AMR振幅₂非常大，高达22%”合著者王兰教授(也在RMIT)说。

当单层WTe₂器件(左)在平面内方向倾斜，AMR(右)随倾斜角度变化，表现在不同磁场下，当磁场垂直于边缘电流方向**时达到最小值

“而之前其他三维拓扑绝缘体的面内AMR振幅仅为1%左右。通过AMR测量，我们还可以精确地确定自旋极化电子在边缘态的自旋量子化轴。”

“这项工作再次证明了QSHI在设计和开发新型自旋电子器件方面的巨大潜力，并证明AMR是设计和开发基于QSHI的自旋电子器件的有用工具，这是FLEET未来实现低能量器件的有前途的路线之一。”

”自旋动量锁致单层WTe的各向异性磁电阻₂，于纳米快报2021年10月。(DOI: 10.1021 / acs.nanolett.1c02329)

拓扑绝缘体在澳大利亚研究理事会卓越中心FLEET的研究主题1-拓扑材料中进行研究。雷竞技苹果版未来低能耗电子技术中心(FLEET)汇集了100多名澳大利亚和国际专家，共同致力于开发新一代超低能耗电子产品。这些工作背后的动力是日益增长的计算能源的挑战，计算消耗了全球5-8%的电力，并且每十年翻一番。

为未来的自旋电子学量化WTe2中的自旋