Les matériaux quantiques, et en particulier les isolants topologiques, offrent des perspectives nouvelles pour une électronique plus efficace et moins consommatrice d’énergie. Ces matériaux, comme l’alliage de Bi1-xSbx, sont isolants en profondeur mais possèdent à leur surface des états de conduction qui sont polarisés en spin. Ils permettent une interconversion spin-charge qui permet de convertir une population de spins issue d’un réservoir ferromagnétique en un courant de charge transverse.
Dans un travail récent publié dans Advanced Science et issu de la collaboration entre l’Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, le LPENS, le C2N et le synchrotron SOLEIL, nous avons mesuré l’enroulement hélical du spin au niveau de Fermi par spectroscopie de photo-émission résolue en angle et en spin (SARPES) sur la ligne de lumière Cassiopée du synchrotron Soleil. Nous démontrons expérimentalement la relation entre le spin et le vecteur d’onde (k) des états de surfaces dans Bi1-xSbx, « spin momentum locking » en anglais. Dans un second temps, nous avons démontré à l’aide de la spectroscopie temporelle THz d’émission que cette hétérostructure permet une interconversion efficace à l’interface Bi1-xSbx/Co. Cette conversion émerge de l’effet Rashba-Edelstein inverse jusqu’à quelques nm de Bi1-xSbx. L’ensemble des données expérimentales analysées à l’aide d’un modèle de liaisons fortes pour le calcul de la structure électronique permet de conclure sur l’origine interfaciale des effets de conversion liés à la nature particulière en spin des états électroniques de surface à l’interface Bi1-xSbx /Co. Ces travaux apportent un regard supplémentaire sur la physique de la conversion d’interface Rashba-Edelstein inverse dans des hétérostructures ferromagnétiques/isolants topologiques. De plus, ces travaux ouvrent une nouvelle voie dans le domaine de l’émission THz avec des émetteurs spintroniques.
Références
Spin-Momentum Locking and Ultrafast Spin-Charge Conversion in Ultrathin Epitaxial Bi1−xSbx Topological Insulator
E. Rongione1,2, L. Baringthon1,3,4, D. She1,3,4, G. Patriarche4, R. Lebrun1, A. Lemaître4, M. Morassi4, N. Reyren1, M. Micica1, J. Mangeney1, J. Tignon1, F. Bertran3, S. Dhillon1, P. Le Févre3, H. Jaffrès1, and J.-M. George1
Advanced Science, Volume 10, Issue 19, Jul 2023
DOI: 10.1002/advs.202301124
Affiliations
1Université Paris-Saclay, CNRS, Thales, Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, F-91767 Palaiseau, France
2Laboratoire de Physique de l'Ecole Normale Supérieure, ENS, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Universitè Paris Cité, F-75005 Paris, France
3Université Paris-Saclay, Synchrotron SOLEIL, L'Orme des Merisiers, Départementale 128, Saint-Aubin, F-91190 France
4Université Paris-Saclay, CNRS, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Palaiseau, F-91120 France
Figure : Color map representing the measured ARPES intensity (arb. units, proportional to the DOS at the Fermi level) closeto Fermi energy integrated on 25 meV with arrows representing the measured spin polarization direction and amplitude (T=300 K). The differentelectron and hole pockets labeledP1,P2,andP3in (d) are easily identified in the experimental measurements. The value of the colorbar indicates thefull range (0–1) between 0 and the maximum value ofP(0.5±0.2).
