Quiralidade superficial de Fermi induzida em uma monofolha TaSe2 formada por uma reação de interface Ta/Bi2Se3

Nature Communications volume 13, número do artigo: 2472 (2022) Citar este artigo

Acessos de 1930

1 Citações

2 Altmétrico

Detalhes das métricas

O bloqueio do momento de rotação em isoladores topológicos e materiais com interações do tipo Rashba é uma característica extremamente atraente para novos dispositivos spintrônicos e, portanto, está sob intensa investigação. Esforços significativos estão em andamento para identificar novos sistemas de materiais com bloqueio de spin-momento, mas também para criar heteroestruturas com novas funcionalidades spintrônicas. No presente estudo abordamos ambos os assuntos e investigamos uma heteroestrutura do tipo van der Waals consistindo no isolador topológico Bi2Se3 e uma única camada tripla (TL) Se-Ta-Se de TaSe2 tipo H cultivada por um método que explora uma interface reação entre o metal adsorvido e o selênio. Mostramos então, usando difração de raios X de superfície, que a simetria do TL semelhante a TaSe2 é reduzida de D3h para C3v resultante de um deslocamento atômico vertical do átomo de tântalo. A fotoemissão resolvida por spin e momento indica que, devido à redução de simetria, os estados na superfície de Fermi adquirem um componente de spin no plano formando um contorno de superfície com uma textura de spin helicoidal semelhante a Rashba, que é acoplada ao cone de Dirac de o substrato. Nossa abordagem fornece uma rota para realizar sistemas de elétrons bidimensionais quirais através de engenharia de interface na epitaxia de van der Waals que não existem nos materiais a granel correspondentes.

Materiais bidimensionais (2D) van der Waals (vdW) surgiram como materiais fascinantes em muitos campos da física da matéria condensada, como, por exemplo, em topologia e magnetismo. De especial interesse é a epitaxia vdW, onde os sistemas exibem uma lacuna vdW na interface. O adsorbato pode ser cultivado no substrato com alta qualidade estrutural e sem a necessidade de correspondência de rede . Em materiais topológicos, novas funcionalidades envolvem o bloqueio do spin e do momento do elétron, conforme realizado em Isoladores Topológicos (TIs), bem como em semimetais de Dirac e Weyl. Descobriu-se que o estado de superfície topológica quiral (TSS) em TIs é muito eficaz na conversão de uma corrente de carga em uma corrente de spin que pode exercer grandes torques spin-órbita (SOT) em uma camada ferromagnética (FM) adjacente . 6. Uma questão crítica é que a eficiência do SOT resultante do TSS pode ser influenciada por vários fatores, como a presença de estados de volume e o aparecimento de curvatura de banda induzida por um gás de elétrons bidimensional, que recentemente demonstrou ser minimizado reduzindo a espessura do filme Bi2Se37. Da mesma forma, dichalcogenetos de metais de transição (TMDCs) com uma estrutura eletrônica não trivial contendo um metal pesado como Mo, W, Pt e Pd também encontraram notável interesse como materiais fonte de spin, desde carga significativa até conversão de spin . 11.

Por outro lado, o TMDC TaSe2 metálico possui uma estrutura eletrônica trivial em sua forma volumosa e cristaliza na estrutura 2H (coordenação trigonal-prismática em torno do tântalo pelo selênio). O SOC aumenta a degeneração do spin das bandas, induzindo uma polarização do spin que fixa os spins do elétron na direção fora do plano. Este cenário é referido como “Ising-SOC” em analogia ao “modelo Ising” relacionado a uma cadeia unidimensional de spins com orientação apenas para cima e para baixo .

Aqui demonstramos que em uma heteroestrutura do tipo van der vdW consistindo de uma única camada tripla (TL) Se-Ta-Se na superfície (0001) do TI Bi2Se3, uma quiralidade é criada nos estados eletrônicos da superfície de Fermi (FS) que acopla-se ao cone de Dirac através da interface vdW. A monofolha TaSe2 é preparada usando um procedimento simples, que não depende de métodos de esfoliação ou epitaxia por feixe molecular que foram usados ​​em muitos estudos anteriores, mas, em vez disso, usa uma reação de interface entre átomos de tântalo que são depositados diretamente em um Bi2Se3(0001) substrato. Descobrimos que este método simples leva a ilhas planas formadas a partir de monofolhas de TaSe2 bem ordenadas com uma estrutura do tipo H. A ausência do centro de inversão na monofolha, em combinação com o forte acoplamento spin-órbita (SOC) que é inerente ao TaSe2, resulta em uma divisão de spin dos estados eletrônicos na energia de Fermi com estados polarizados de spin opostos no pontos K e K' não relacionados à simetria na zona de Brillouin (BZ). Até agora, tem sido geralmente assumido que as monofolhas de TMDC são do tipo volumoso. A análise de difração de raios X de superfície (SXRD) fornece não apenas evidências claras de que uma única monofolha de TaSe2 tipo H é formada, mas também que o átomo central de tântalo no ambiente prismático de selênio é deslocado verticalmente, levantando assim o plano horizontal do espelho e abaixando o ponto simetria de grupo de D3h a C3v. Em seguida, usamos espectroscopia de fotoemissão resolvida por spin e momento, em combinação com cálculos ab-initio, para estudar o efeito do relaxamento estrutural na estrutura eletrônica. Descobrimos que uma consequência muito importante é que os estados polarizados por spin no FS adquirem um componente de spin no plano, criando assim uma quiralidade. Essa monofolha de baixa simetria pode servir como um material de fonte de spin eficiente que não apenas evita dificuldades encontradas pelos estados de volume e de elétrons livres em Bi2Se3, mas também dá origem a um SOT fora do plano mais sofisticado para manipular filmes ferromagnéticos perpendicularmente magnetizados, como recentemente demonstrado em uma heteroestrutura WTe2 / permalloy9.