Киральность поверхности Ферми, индуцированная в монолисте TaSe2, образованном интерфейсной реакцией Ta/Bi2Se3

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2472 (2022) Цитировать эту статью

Доступы 1898 г.

1 Цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Блокировка спинового момента в топологических изоляторах и материалах с взаимодействиями типа Рашбы является чрезвычайно привлекательной особенностью для новых устройств спинтроники и поэтому находится в стадии интенсивных исследований. Предпринимаются значительные усилия по идентификации новых материальных систем с блокировкой спинового момента, а также по созданию гетероструктур с новыми спинтронными функциями. В настоящем исследовании мы обращаемся к обеим темам и исследуем гетероструктуру типа Ван-дер-Ваальса, состоящую из топологического изолятора Bi2Se3 и одного тройного слоя Se-Ta-Se (TL) TaSe2 H-типа, выращенного методом, использующим интерфейс реакция между адсорбированным металлом и селеном. Затем мы показываем, используя дифракцию рентгеновских лучей на поверхности, что симметрия TaSe2-подобной TL снижается с D3h до C3v в результате вертикального атомного сдвига атома тантала. Фотоэмиссия с разрешением по спину и импульсу указывает на то, что из-за понижения симметрии состояния на поверхности Ферми приобретают плоскую спиновую компоненту, образующую поверхностный контур со спиральной спиновой текстурой типа Рашбы, которая связана с конусом Дирака субстрат. Наш подход обеспечивает путь к реализации киральных двумерных электронных систем посредством инженерии интерфейсов в ван-дер-ваальсовой эпитаксии, которые не существуют в соответствующих объемных материалах.

Двумерные (2D) материалы Ван-дер-Ваальса (vdW) стали интересными материалами во многих областях физики конденсированного состояния, например, в топологии и магнетизме. Особый интерес представляет эпитаксия ВДВ, когда системы обнаруживают ВДВ-щель на границе раздела. Адсорбат можно выращивать на подложке с высоким структурным качеством и без необходимости согласования решеток1,2. В топологических материалах новые функциональные возможности включают блокировку спина и импульса электрона, как это реализовано в топологических изоляторах (ТИ), а также в полуметаллах Дирака и Вейля. Было обнаружено, что киральное топологическое поверхностное состояние (TSS) в TI очень эффективно преобразует ток заряда в спиновый ток, который может создавать большие спин-орбитальные моменты (SOT) в соседнем ферромагнитном (FM) слое3,4,5, 6. Критическая проблема заключается в том, что на эффективность SOT, возникающую в результате TSS, могут влиять несколько факторов, таких как наличие объемных состояний и появление двумерного электронного газа, вызванного изгибом зон, который, как недавно было показано, минимизируется. за счет уменьшения толщины пленки Bi2Se37. Аналогичным образом, дихалькогениды переходных металлов (TMDC) с нетривиальной электронной структурой, содержащие тяжелые металлы, такие как Mo, W, Pt и Pd, также вызвали значительный интерес в качестве материалов с источниками спина благодаря значительному преобразованию заряда в спин8,9,10. 11.

Напротив, металлический TMDC TaSe2 в объемной форме имеет тривиальную электронную структуру и кристаллизуется в структуре 2H (тригонально-призматическая координация вокруг тантала селеном). SOC снимает спиновое вырождение зон, вызывая спиновую поляризацию, которая удерживает спины электронов в направлении, находящемся вне плоскости. Этот сценарий называется «SOC Изинга» по аналогии с «моделью Изинга», связанной с одномерной цепочкой спинов только с ориентацией вверх и вниз12,13,14,15,16,17.

Здесь мы демонстрируем, что в гетероструктуре типа Ван дер ВдВ, состоящей из одного тройного слоя (TL) Se-Ta-Se на поверхности (0001) TI Bi2Se3, создается хиральность в электронных состояниях поверхности Ферми (FS), которые соответствует конусу Дирака на границе vdW. Монолист TaSe2 готовится с использованием простой процедуры, которая не основана на методах отшелушивания или молекулярно-лучевой эпитаксии, которые использовались во многих предыдущих исследованиях, а, скорее, использует реакцию на границе раздела между атомами тантала, которые непосредственно осаждаются на Bi2Se3 (0001) субстрат. Мы обнаружили, что этот простой метод приводит к образованию плоских островков, которые образуются из монолистов хорошо упорядоченного TaSe2 со структурой H-типа. Отсутствие центра инверсии в монолисте в сочетании с сильной спин-орбитальной связью (SOC), присущей TaSe2, приводит к спиновому расщеплению электронных состояний при энергии Ферми с противоположно спин-поляризованными состояниями при энергии Ферми. связанные с несимметрией точки K и K' в зоне Бриллюэна (BZ). До сих пор считалось, что монолисты TMDC имеют объемную структуру. Анализ поверхностной рентгеновской дифракции (SXRD) дает не только четкое свидетельство того, что образуется один монолист TaSe2 H-типа, но также и то, что центральный атом тантала в призматическом окружении селена смещается по вертикали, тем самым поднимая горизонтальную плоскость зеркала и опуская острие. групповая симметрия от D3h до C3v. Затем мы используем фотоэмиссионную спектроскопию со спиновым и импульсным разрешением в сочетании с расчетами ab initio, чтобы изучить влияние структурной релаксации на электронную структуру. Мы обнаружили, что очень важным следствием является то, что спин-поляризованные состояния на FS приобретают плоскостную спиновую компоненту, тем самым создавая киральность. Такой монолист с низкой симметрией может служить эффективным материалом для спинового источника, который не только позволяет избежать трудностей, с которыми сталкиваются объемные состояния и состояния свободных электронов в Bi2Se3, но также дает начало более сложной внеплоской СОТ для манипулирования перпендикулярно намагниченными ферромагнитными пленками, как недавно продемонстрировано в гетероструктуре WTe2/пермаллоя9.