Control of spin current and antiferromagnetic moments via topological surface state

反铁磁性 凝聚态物理 拓扑绝缘体 磁矩 双层 物理 拓扑(电路) 材料科学 化学 电气工程 工程类 生物化学
作者
Xianzhe Chen,Hua Bai,Yuchen Ji,Yongjian Zhou,Liyang Liao,Yunfeng You,Wenxuan Zhu,Qian Wang,Lei Han,Xiaoyang Liu,Ang Li,Xiaodong Han,Yin Jia,Xufeng Kou,Feng Pan,Cheng Song
出处
期刊:Nature electronics [Nature Portfolio]
卷期号:5 (9): 574-578 被引量:25
标识
DOI:10.1038/s41928-022-00825-8
摘要

Antiferromagnetic materials, which have ordered but alternating magnetic moments, exhibit fast spin dynamics and produce negligible stray fields, and could be used to build high-density, high-speed memory devices with low power consumption. However, the efficient electrical detection and manipulation of antiferromagnetic moments is challenging. Here we show that the spin current and antiferromagnetic moments in the topological insulator/antiferromagnetic insulator bilayer (Bi,Sb)2Te3/α-Fe2O3 can be controlled via topological surface states. In particular, the orientation of the antiferromagnetic moments in α-Fe2O3 can modulate the spin current reflection at the bilayer interface. In turn, the spin current can control the moment rotation in the antiferromagnetic insulator by means of a giant spin–orbit torque generated by the topological surface state. The required threshold switching current density is 3.5 × 106 A cm−2 at room temperature, which is one order of magnitude smaller than that required in heavy-metal/antiferromagnetic insulator systems.
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