为未来的自旋电子学量化WTe2中的自旋

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阻(AMR)，并且边缘态的自旋量子化轴可以明确定义。

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

RMIT、新南威尔士大学和华南师范大学(中国)研究人员的FLEET合作首次证实了单层WTe2中存在大的面内AMR，这是一种具有更高临界温度的新型QSHI。

通过允许导电而不会浪费能量，这种材料可以构成新一代超低能耗电子产品的基础。

制造单层WTe2器件

拓扑绝缘体的兴起为寻求非耗散传输的研究人员带来了巨大的希望，从而为已经观察到的摩尔定律平稳期提供了解决方案。

与之前报道的只能在低温下表现出量化边缘传输的量子阱系统不同，最近在预测的大带隙QSHI、单层WTe2中对100K下的量化边缘传输的观察揭示了更多的应用QSHI的。

“虽然我们在堆叠范德华(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具有挑战性，”该研究的第一作者ChengTan博士说。

“由于单层WTe2纳米薄片难以获得，我们首先专注于更成熟的材料石墨烯，以开发制造单层WTe2vdW器件的最佳方法，”墨尔本RMIT大学FLEET研究员Cheng说。

由于单层WTe2纳米薄片对空气也非常敏感，因此应使用由惰性六方氮化硼纳米薄片制成的保护性“套装”来封装它们。此外，在户外进行一系列测试之前，组装是在无氧和无水的手套箱中进行的。经过一番努力，该团队随后成功制造了带有栅电极的单层WTe2器件，并观察到门控单层WTe2的典型传输行为。

“对于用于未来自旋电子器件的材料，我们需要一种方法来确定自旋特性，尤其是自旋方向，”GuolinZheng博士(也在RMIT)说。

当单层WTe2器件(左)在面内方向倾斜时，AMR(右)随倾斜角度而变化，显示在变化的磁场中，并在磁场垂直于边缘电流方向时达到最小值。信用：纳米快报

“然而，在单层WTe2中，自旋动量锁定(QSHI的一个基本特性)以及是否可以确定螺旋边缘状态的自旋量化轴还有待实验证明。”

各向异性磁阻(AMR)是一种有效的输运测量方法，可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的边缘态只允许自旋极化电子的传输，该团队随后使用AMR测量来探索单层WTe2边缘态中潜在的自旋动量锁定。

“幸运的是，我们找到了处理单层WTe2纳米薄片的正确方法，”合著者Feixiangxiang博士(新南威尔士大学)说。“然后我们进行了角度相关的输运测量，以探索边缘状态中的潜在自旋特征。”

执行各向异性磁阻并定义自旋量化轴

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

“幸运的是，拓扑边缘状态和Rashba分裂诱导了非常不同的依赖于栅极的面内AMR行为，因为这两种情况下的能带结构仍然非常不同。”合著者亚历克斯·汉密尔顿教授(也在新南威尔士大学)说。

“大多数样本表明，当磁场几乎垂直于边缘电流方向时，面内AMR会达到最小值。”程说。

华南师范大学合作者的进一步理论计算进一步证实，单层WTe2边缘态中电子的自旋应始终垂直于其传播方向，即所谓的‘自旋动量锁定’。”

“在单层WTe2中观察到的面内AMR的幅度非常大，高达22%”，共同作者A/LanWang教授(也在RMIT)说。

“虽然之前其他3D拓扑绝缘体中面内AMR的幅度只有1%左右。通过AMR测量，我们还可以精确地确定边缘态中自旋极化电子的自旋量化轴。”

“同样，这项工作证明了QSHI在设计和开发新型自旋电子器件方面的潜力，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实现低功耗的有希望的途径之一。未来的能源设备。”