Ta/Bi2Se3界面反応により形成されたTaSe2モノシートに誘起されるフェルミ面キラリティー

Nature Communications volume 13、記事番号: 2472 (2022) この記事を引用

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ラシュバ型相互作用を有するトポロジカル絶縁体および材料におけるスピン運動量のロックは、新しいスピントロニクスデバイスにとって非常に魅力的な特徴であるため、熱心に研究されている。 スピン運動量ロックを備えた新しい材料系を特定するだけでなく、新しいスピントロニクス機能を備えたヘテロ構造を作成するための多大な努力が進行中です。 本研究では両方の課題に取り組み、トポロジカル絶縁体Bi2Se3と界面を利用した方法で成長させたH型TaSe2の単一Se-Ta-Se三層（TL）からなるファンデルワールス型ヘテロ構造を調査する。吸着した金属とセレンの反応。 次に、表面 X 線回折を使用して、TaSe2 のような TL の対称性が、タンタル原子の垂直方向の原子シフトの結果として D3h から C3v に減少することを示します。 スピンおよび運動量分解光電子放出は、対称性の低下により、フェルミ面の状態が面内スピン成分を獲得して、らせん状のラシュバ状のスピンテクスチャーを備えた表面輪郭を形成し、これがディラック錐体に結合していることを示しています。基板。 私たちのアプローチは、ファンデルワールスエピタキシーにおける界面工学を介して、対応するバルク材料には存在しないキラルな二次元電子系を実現する道を提供します。

二次元 (2D) ファンデルワールス (vdW) 材料は、トポロジーや磁性などの凝縮物物理学の多くの分野で魅力的な材料として登場しました。 特に興味深いのは、システムが界面で vdW ギャップを示す vdW エピタキシーです。 吸着質は、格子整合を必要とせずに、高い構造品質で基板上に成長させることができます1,2。 トポロジカル材料では、新しい機能には、トポロジカル絶縁体 (TI) やディラック半金属やワイル半金属で実現されるように、電子のスピンと運動量のロックが含まれます。 TI のキラル トポロジカル表面状態 (TSS) は、隣接する強磁性 (FM) 層に大きなスピン軌道トルク (SOT) を及ぼすことができるスピン流に充電電流を変換するのに非常に効果的であることがわかっています。 6. 重要な問題は、TSS から生じる SOT 効率が、バルク状態の存在や、最近最小化されることが示されている 2 次元電子ガスのバンド曲がりによる出現など、いくつかの要因によって影響を受ける可能性があることです。 Bi2Se3 膜の厚さを減らすことによる 7。 同様に、Mo、W、Pt、Pd などの重金属を含む自明ではない電子構造を持つ遷移金属ジカルコゲニド (TMDC) も、大量の電荷からスピン変換までのスピン源材料として注目を集めています 8,9,10。 11.

対照的に、金属 TMDC TaSe2 は、バルク状態では自明な電子構造を持ち、2H 構造 (セレンによるタンタルの周りの三角柱状配位) で結晶化します。 SOC はバンドのスピン縮退を解除し、電子スピンを面外方向に固定するスピン偏極を引き起こします。 このシナリオは、上下方向のみを持つスピンの 1 次元連鎖に関連する「イジング モデル」に類似して「イジング SOC」と呼ばれます12、13、14、15、16、17。

今回我々は、TI Bi2Se3 の (0001) 面上の単一 Se-Ta-Se 三重層 (TL) からなるファン デル vdW 型ヘテロ構造において、フェルミ面 (FS) 電子状態にキラリティーが生成されることを実証します。 vdW インターフェイスを介してディラック コーンのそれに結合します。 TaSe2 モノシートは、これまでの多くの研究で使用されてきた剥離法や分子線エピタキシー法に頼らず、Bi2Se3(0001) 上に直接堆積したタンタル原子間の界面反応を利用した簡単な手順で作製されます。基板。 この単純な方法により、H 型構造を有する規則正しい TaSe2 のモノシートから形成される平坦なアイランドが得られることがわかりました。 モノシートに反転中心が存在しないことと、TaSe2 に固有の強力なスピン軌道結合 (SOC) が組み合わされて、フェルミ エネルギーで電子状態がスピン分裂し、フェルミ エネルギーで逆のスピン偏極状態が生じます。ブリルアン ゾーン (BZ) 内の非対称関連の K ポイントと K' ポイント。 これまで、TMDC のモノシートはバルク状であると一般に考えられてきました。 表面 X 線回折 (SXRD) 分析は、H 型 TaSe2 の単一のモノシートが形成されていることの明確な証拠を提供するだけでなく、プリズム状セレン環境の中心のタンタル原子が垂直にシフトされ、それによって水平の鏡面が持ち上げられ、点が下がっていることを示しています。 D3h から C3v までの群対称性。 次に、スピン分解光電子分光法と運動量分解光電子分光法を非経験計算と組み合わせて使用​​し、電子構造に対する構造緩和の影響を研究します。 非常に重要な結果は、FS でのスピン偏極状態が面内スピン成分を獲得し、それによってキラリティーが生じることであることがわかりました。 このような対称性の低いモノシートは、Bi2Se3 のバルクおよび自由電子状態が遭遇する困難を回避するだけでなく、垂直磁化された強磁性膜を操作するためのより高度な面外 SOT を生成する効率的なスピン源材料として機能する可能性があります。最近、WTe2/パーマロイヘテロ構造で実証されました9。