Potenziamento dell’effetto Hall di spin ad alta temperatura in un silicio non centrosimmetrico guidato da monopoli di fase di Berry

I dispositivi spintronici sono dispositivi elettronici che utilizzano lo spin degli elettroni per consentire l’elaborazione ad alta velocità e la memorizzazione dei dati a basso costo. A questo proposito, la coppia di trasferimento di spin è un fenomeno chiave che consente di realizzare dispositivi spintronici ultraveloci e a basso consumo. Recentemente, tuttavia, la coppia spin-orbita (SOT) è emersa come una promettente alternativa alla coppia di trasferimento di spin.

Molti studi hanno analizzato l’origine della SOT, dimostrando che nei materiali non magnetici un fenomeno chiamato effetto Hall di spin (SHE) è fondamentale per ottenere la SOT. In questi materiali, l’esistenza di una struttura a “banda di Dirac”, una disposizione specifica degli elettroni in termini di energia, è importante per ottenere un grande SHE. Questo perché la struttura a bande di Dirac contiene “punti caldi” per la fase di Berry, un fattore di fase quantistica responsabile della SHE intrinseca. Pertanto, i materiali con adeguati punti caldi della fase Berry sono fondamentali per ingegnerizzare la SHE.

In questo contesto, il materiale siliciuro di tantalio (TaSi2) è di grande interesse in quanto presenta diversi punti di Dirac vicino al livello di Fermi nella sua struttura a bande, adatti a praticare l’ingegneria della fase Berry. Per dimostrarlo, un team di ricercatori, guidato dal professore associato Pham Nam Hai del Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), in Giappone, ha recentemente studiato l’influenza dei punti caldi della banda di Dirac sulla dipendenza dalla temperatura di SHE nel TaSi2.

“L’ingegneria dei monopoli di fase di Berry è un interessante filone di ricerca, in quanto può dare origine a efficienti dispositivi spintronici SOT ad alta temperatura, come le memorie magneto-resistive ad accesso casuale”, afferma il dottor Hai. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Applied Physics Letters.

Attraverso vari esperimenti, il team ha osservato che l’efficienza SOT di TaSi2 è rimasta quasi invariata da 62 K a 288 K, un comportamento simile a quello dei metalli pesanti convenzionali. Tuttavia, aumentando ulteriormente la temperatura, l’efficienza SOT è aumentata improvvisamente e quasi raddoppiata a 346 K. Inoltre, anche il corrispondente SHE è aumentato in modo simile.

Si tratta di un comportamento molto diverso da quello dei metalli pesanti convenzionali e delle loro leghe. Dopo un’ulteriore analisi, i ricercatori hanno attribuito questo improvviso aumento di SHE ad alte temperature ai monopoli di fase Berry.

“Questi risultati forniscono una strategia per migliorare l’efficienza SOT alle alte temperature attraverso l’ingegneria dei monopoli di fase Berry”, afferma il dottor Hai.

Il loro studio evidenzia il potenziale dell’ingegneria dei monopoli di fase Berry per utilizzare efficacemente la SHE nei materiali non magnetici e fornisce un nuovo percorso per lo sviluppo di dispositivi spintronici SOT ad alta temperatura, ultraveloci e a bassa potenza.

Fonte: Ken Ishida et al, Enhanced spin Hall effect at high temperature in non-centrosymmetric silicide TaSi2 driven by Berry phase monopoles, Applied Physics Letters (2023). DOI: 10.1063/5.0165333

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