Chiralité de surface de Fermi induite dans un monofeuillet TaSe2 formé par une réaction d'interface Ta/Bi2Se3

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 2472 (2022) Citer cet article

1898 Accès

1 Citation

2 Altmétrique

Détails des métriques

Le verrouillage de l'impulsion de spin dans les isolants topologiques et les matériaux présentant des interactions de type Rashba est une caractéristique extrêmement intéressante pour les nouveaux dispositifs spintroniques et fait donc l'objet d'études approfondies. Des efforts importants sont en cours pour identifier de nouveaux systèmes de matériaux avec verrouillage de spin-impulsion, mais également pour créer des hétérostructures dotées de nouvelles fonctionnalités spintroniques. Dans la présente étude, nous abordons les deux sujets et étudions une hétérostructure de type van der Waals constituée de l'isolant topologique Bi2Se3 et d'une seule triple couche (TL) Se-Ta-Se de TaSe2 de type H cultivée par une méthode qui exploite une interface réaction entre le métal adsorbé et le sélénium. Nous montrons ensuite, par diffraction des rayons X en surface, que la symétrie du TL de type TaSe2 est réduite de D3h à C3v résultant d'un déplacement atomique vertical de l'atome de tantale. La photoémission résolue en spin et en impulsion indique qu'en raison de l'abaissement de la symétrie, les états à la surface de Fermi acquièrent une composante de spin dans le plan formant un contour de surface avec une texture de spin hélicoïdale de type Rashba, qui est couplée au cône de Dirac de le substrat. Notre approche fournit une voie permettant de réaliser des systèmes électroniques chiraux bidimensionnels via l’ingénierie des interfaces dans l’épitaxie de Van der Waals qui n’existent pas dans les matériaux massifs correspondants.

Les matériaux bidimensionnels (2D) de Van der Waals (vdW) sont devenus des matériaux fascinants dans de nombreux domaines de la physique de la matière condensée, comme par exemple la topologie et le magnétisme. L'épitaxie vdW est particulièrement intéressante, dans laquelle les systèmes présentent un espace vdW à l'interface. L'adsorbat peut être cultivé sur le substrat avec une qualité structurelle élevée et sans avoir besoin d'une correspondance de réseau1,2. Dans les matériaux topologiques, de nouvelles fonctionnalités impliquent le verrouillage du spin et de l'impulsion de l'électron, comme réalisé dans les isolants topologiques (TI), ainsi que dans les semi-métaux de Dirac et Weyl. L'état de surface topologique chiral (TSS) dans les TI s'est avéré très efficace pour convertir un courant de charge en un courant de spin pouvant exercer d'importants couples spin-orbite (SOT) dans une couche ferromagnétique (FM) adjacente3,4,5, 6. Un problème critique est que l'efficacité du SOT résultant du TSS peut être influencée par plusieurs facteurs, tels que la présence d'états massifs et l'apparition induite par la courbure de bande d'un gaz d'électrons bidimensionnel, dont il a récemment été démontré qu'il était minimisé. en réduisant l'épaisseur du film Bi2Se37. De même, les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) dotés d'une structure électronique non triviale contenant un métal lourd tel que Mo, W, Pt et Pd ont également trouvé un intérêt remarquable en tant que matériaux sources de spin pour une conversion significative de charge en spin8,9,10, 11.

En revanche, le TMDC TaSe2 métallique a une structure électronique triviale dans sa forme massive et cristallise dans la structure 2H (coordination trigonale-prismatique autour du tantale par le sélénium). Le SOC lève la dégénérescence du spin des bandes, induisant une polarisation de spin qui fixe les spins des électrons dans la direction hors du plan. Ce scénario est appelé « Ising-SOC » par analogie avec le « modèle d'Ising » lié à une chaîne unidimensionnelle de spins avec une orientation vers le haut et vers le bas uniquement12,13,14,15,16,17.

Nous démontrons ici que dans une hétérostructure de type van der vdW constituée d'une seule triple couche (TL) Se-Ta-Se sur la surface (0001) du TI Bi2Se3, une chiralité est créée dans les états électroniques de la surface de Fermi (FS) qui se couple à celui du cône de Dirac à travers l’interface vdW. La monofeuille de TaSe2 est préparée à l'aide d'une procédure simple, qui ne repose pas sur les méthodes d'exfoliation ou d'épitaxie par jet moléculaire qui ont été utilisées dans de nombreuses études antérieures, mais utilise plutôt une réaction d'interface entre des atomes de tantale directement déposés sur un Bi2Se3 (0001). substrat. Nous constatons que cette méthode simple conduit à des îlots plats formés à partir de monofeuillets de TaSe2 bien ordonnés avec une structure de type H. L'absence du centre d'inversion dans le monofeuillet, combinée au fort couplage spin-orbite (SOC) inhérent à TaSe2, entraîne une division de spin des états électroniques à l'énergie de Fermi avec des états à polarisation de spin opposée à l'énergie de Fermi. Points K et K' non liés à la symétrie dans la zone de Brillouin (BZ). Jusqu'à présent, il était généralement admis que les monofeuilles de TMDC ressemblaient à des vracs. L'analyse par diffraction des rayons X de surface (SXRD) fournit non seulement une preuve claire de la formation d'une seule feuille unique de TaSe2 de type H, mais également que l'atome central de tantale dans l'environnement prismatique du sélénium est déplacé verticalement, soulevant ainsi le plan du miroir horizontal et abaissant le point. symétrie de groupe de D3h au C3v. Nous utilisons ensuite la spectroscopie de photoémission résolue en spin et en impulsion, en combinaison avec des calculs ab-initio, pour étudier l'effet de la relaxation structurelle sur la structure électronique. Nous trouvons qu'une conséquence très importante est que les états polarisés en spin au niveau du FS acquièrent une composante de spin dans le plan, créant ainsi une chiralité. Une telle monofeuille de faible symétrie peut servir de matériau source de spin efficace qui non seulement évite les difficultés rencontrées par les états de masse et d'électrons libres dans Bi2Se3, mais donne également naissance à un SOT hors plan plus sophistiqué pour manipuler des films ferromagnétiques magnétisés perpendiculairement, comme récemment démontré dans une hétérostructure WTe2/permalloy9.