Room temperature nonlocal detection of charge-spin interconversion in a topological insulator

拓扑绝缘体 电荷(物理) 自旋(空气动力学) 绝缘体(电) 物理 凝聚态物理 量子力学 光电子学 热力学
作者
Md. Anamul Hoque,Lars Sjöström,Dmitrii Khokhriakov,Bing Zhao,Saroj P. Dash
出处
期刊:npj 2D materials and applications [Springer Nature]
卷期号:8 (1) 被引量:5
标识
DOI:10.1038/s41699-024-00447-y
摘要

Abstract Topological insulators (TIs) are emerging materials for next-generation low-power nanoelectronic and spintronic device applications. TIs possess non-trivial spin-momentum locking features in the topological surface states in addition to the spin-Hall effect (SHE), and Rashba states due to high spin-orbit coupling (SOC) properties. These phenomena are vital for observing the charge-spin conversion (CSC) processes for spin-based memory, logic and quantum technologies. Although CSC has been observed in TIs by potentiometric measurements, reliable nonlocal detection has so far been limited to cryogenic temperatures up to T = 15 K. Here, we report nonlocal detection of CSC and its inverse effect in the TI compound Bi 1.5 Sb 0.5 Te 1.7 Se 1.3 at room temperature using a van der Waals heterostructure with a graphene spin-valve device. The lateral nonlocal device design with graphene allows observation of both spin-switch and Hanle spin precession signals for generation, injection and detection of spin currents by the TI. Detailed bias- and gate-dependent measurements in different geometries prove the robustness of the CSC effects in the TI. These findings demonstrate the possibility of using topological materials to make all-electrical room-temperature spintronic devices.

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