Chiralità superficiale di Fermi indotta in un monofoglio di TaSe2 formato da una reazione di interfaccia Ta/Bi2Se3

Nature Communications volume 13, numero articolo: 2472 (2022) Citare questo articolo

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Il bloccaggio del momento di spin negli isolanti topologici e nei materiali con interazioni di tipo Rashba è una caratteristica estremamente interessante per nuovi dispositivi spintronici ed è quindi oggetto di studi approfonditi. Sono in corso sforzi significativi per identificare nuovi sistemi materiali con bloccaggio spin-momento, ma anche per creare eterostrutture con nuove funzionalità spintroniche. Nel presente studio affrontiamo entrambi i temi e studiamo un'eterostruttura di tipo van der Waals costituita dall'isolante topologico Bi2Se3 e un singolo triplo strato Se-Ta-Se (TL) di TaSe2 di tipo H cresciuto con un metodo che sfrutta un'interfaccia reazione tra il metallo adsorbito e il selenio. Mostriamo quindi, utilizzando la diffrazione dei raggi X di superficie, che la simmetria del TL simile a TaSe2 è ridotta da D3h a C3v risultante da uno spostamento atomico verticale dell'atomo di tantalio. La fotoemissione risolta in spin e momento indica che, a causa dell'abbassamento della simmetria, gli stati sulla superficie di Fermi acquisiscono una componente di spin nel piano formando un contorno superficiale con una struttura di spin elicoidale simile a Rashba, che è accoppiata al cono di Dirac di il substrato. Il nostro approccio fornisce un percorso per realizzare sistemi elettronici bidimensionali chirali tramite ingegneria dell'interfaccia nell'epitassia di van der Waals che non esistono nei corrispondenti materiali sfusi.

I materiali bidimensionali (2D) di van der Waals (vdW) sono emersi come materiali affascinanti in molti campi della fisica della materia condensata, come ad esempio nella topologia e nel magnetismo. Di particolare interesse è l'epitassia vdW in cui i sistemi presentano un gap vdW all'interfaccia. L'adsorbato può essere coltivato sul substrato con elevata qualità strutturale e senza la necessità di adattamento del reticolo1,2. Nei materiali topologici, nuove funzionalità implicano il bloccaggio dello spin e del momento dell'elettrone come realizzato negli isolanti topologici (TI), nonché nei semimetalli di Dirac e Weyl. Lo stato superficiale topologico chirale (TSS) nei TI è risultato molto efficace nel convertire una corrente di carica in una corrente di spin che può esercitare grandi coppie spin-orbita (SOT) in uno strato ferromagnetico (FM) adiacente3,4,5, 6. Un problema critico è che l'efficienza SOT risultante dal TSS può essere influenzata da diversi fattori, come la presenza di stati di massa e la comparsa indotta dal bendaggio della banda di un gas di elettroni bidimensionale, che recentemente è stato dimostrato essere ridotto al minimo riducendo lo spessore del film Bi2Se37. Allo stesso modo, anche i dichalcogenuri di metalli di transizione (TMDC) con una struttura elettronica non banale contenente un metallo pesante come Mo, W, Pt e Pd hanno riscontrato un notevole interesse come materiali con sorgente di spin dalla carica significativa alla conversione di spin8,9,10, 11.

Al contrario, il TMDC TaSe2 metallico ha una struttura elettronica banale nella sua forma sfusa e cristallizza nella struttura 2H (coordinazione trigonale-prismatica attorno al tantalio mediante selenio). Il SOC elimina la degenerazione dello spin delle bande inducendo una polarizzazione dello spin che fissa gli spin degli elettroni nella direzione fuori dal piano. Questo scenario è denominato “Ising-SOC” in analogia al “modello Ising” relativo a una catena unidimensionale di rotazioni con orientamento solo su e giù12,13,14,15,16,17.

Qui dimostriamo che in un'eterostruttura di tipo van der vdW costituita da un singolo triplo strato Se-Ta-Se (TL) sulla superficie (0001) del TI Bi2Se3 viene creata una chiralità negli stati elettronici della superficie di Fermi (FS) che si accoppia a quello del cono di Dirac attraverso l'interfaccia vdW. Il monofoglio TaSe2 viene preparato utilizzando una procedura semplice, che non si basa su metodi di esfoliazione o epitassia a fascio molecolare utilizzati in molti studi precedenti ma, piuttosto, utilizza una reazione di interfaccia tra atomi di tantalio che vengono depositati direttamente su un Bi2Se3(0001) substrato. Troviamo che questo semplice metodo porta ad isole piatte formate da monofogli di TaSe2 ben ordinato con una struttura di tipo H. L'assenza del centro di inversione nel monofoglio, in combinazione con il forte accoppiamento spin-orbita (SOC) inerente a TaSe2, si traduce in una suddivisione dello spin degli stati elettronici all'energia di Fermi con stati polarizzati in senso opposto all'energia di Fermi. Punti K e K' correlati alla non simmetria nella zona di Brillouin (BZ). Finora si è generalmente ritenuto che i monofogli dei TMDC fossero sfusi. L'analisi della diffrazione dei raggi X di superficie (SXRD) fornisce non solo una chiara prova che si forma un singolo monofoglio di TaSe2 di tipo H, ma anche che l'atomo centrale di tantalio nell'ambiente prismatico del selenio viene spostato verticalmente sollevando così il piano orizzontale dello specchio e abbassando il punto simmetria di gruppo da D3h a C3v. Utilizziamo quindi la spettroscopia di fotoemissione risolta in spin e momento, in combinazione con calcoli ab-initio, per studiare l'effetto del rilassamento strutturale sulla struttura elettronica. Troviamo che una conseguenza molto importante è che gli stati polarizzati con spin nella FS acquisiscono una componente di spin nel piano, creando così una chiralità. Un monofoglio a simmetria così bassa può fungere da efficiente materiale spin-source che non solo evita le difficoltà incontrate dagli stati di massa e di elettroni liberi nel Bi2Se3, ma dà anche origine a un SOT fuori piano più sofisticato per manipolare film ferromagnetici magnetizzati perpendicolarmente, come recentemente dimostrato in un'eterostruttura WTe2/permalloy9.