Evaluation and application of charge to spin conversion in topological crystalline insulators

拓扑晶体绝缘体中电荷自旋转换的评价及应用

• 批准号: 22KJ1719
• 负责人: 西嶋 泰樹
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1719/
• 关键词: トポロジカル結晶絶縁体; 非線形ホール効果; ベリー曲率ダイポール; 強誘電; 非線形planarホール効果

トポロジカル結晶絶縁体材料であるPbSnTeにおける、非線形ホール効果の観測とその制御に成功した。トポロジカル結晶絶縁体とは表面状態が結晶対称性により現れる材料である。PbSnTeはトポロジカル結晶絶縁体と同時に強誘電性を有する物質でもある。強誘電性の分極を制御することで結晶対称性に起因するトポロジカル表面状態を制御した。具体的にはベリー曲率ダイポールという近年提案された物理量がPbSnTeで存在することを非線形ホール効果を介して確認し、電界による分極の制御によりベリー曲率ダイポールの向きをスイッチングした。ベリー曲率ダイポールのスイッチングはこれまでゲート電界などによる外場で制御した報告があったが、本研究でのスイッチングは材料固有の分極による制御であり、不揮発にスイッチングした状態を保てる点に特徴がある。加えて、このベリー曲率ダイポールの不揮発性スイッチング効果を室温でも観測している。5Kで測定されたベリー曲率ダイポールの大きさは160nmであり、これはこれまでWTe2やMoS2で観測された値より1桁以上大きな値を示した。トポロジカル結晶絶縁体の表面状態由来のディラック分散がこの大きな値に寄与している可能性がある。本成果はトポロジカル材料の物理的性質を不揮発に室温で制御することに成功した成果であり、トポロジカル材料の応用可能性の道を開くものである。

我们成功地观测和控制了拓扑晶体绝缘体材料PbSnTe的非线性霍尔效应。拓扑晶体绝缘体是一种由于晶体对称性而呈现表面态的材料。 PbSnTe 是一种拓扑晶体绝缘体，也是一种铁电材料。通过控制铁电极化来控制由晶体对称性引起的拓扑表面态。具体来说，我们通过非线性霍尔效应证实了最近提出的PbSnTe物理量的存在，称为贝里曲率偶极子，并通过使用电场控制极化来改变贝里曲率偶极子的方向。有报道称贝里曲率偶极子的开关是由外部场如栅极电场控制的，但本研究中的开关是由材料固有的极化控制的，特点是开关状态可以以非易失性方式维护。此外，我们甚至在室温下也观察到了这种贝里曲率偶极子的非易失性开关效应。在5K下测得的贝里曲率偶极子的尺寸为160 nm，比之前观察到的WTe2和MoS2的值大一个数量级以上。来自拓扑晶体绝缘体表面状态的狄拉克色散可能对这个大值有贡献。这一结果是在室温下以非挥发的方式成功控制拓扑材料物理性质的结果，为拓扑材料的新应用打开了大门。

项目成果

Demonstration of Ferroic Behavior of Berry Curvature Dipole in a Topological Crystalline Insulator at 300 K

300 K 拓扑晶体绝缘体中贝里曲率偶极子的铁性行为演示

• 发表时间: 2023
• 作者: Taiki Nishijima;Takuto Watanabe;Hiroaki Sekiguchi;Yuichiro Ando;Ei Shigematsu;Ryo Ohshima;Shinji Kuroda;Masashi Shiraishi
• 通讯作者: Masashi Shiraishi

Nonvolatile Switching of Berry Curvature Dipole in a Topological Crystalline Insulator at Room Temperature

室温拓扑晶体绝缘体中贝里曲率偶极子的非易失性切换

• 发表时间: 2023
• 作者: Nishijima Taiki;Watanabe Takuto;Sekiguchi Hiroaki;Ando Yuichiro;Shigematsu Ei;Ohshima Ryo;Kuroda Shinji;Shiraishi Masashi
• 通讯作者: Shiraishi Masashi

In-plane Nonlinear Hall Response in Rock-Salt Structure Topological Crystalline Insulator

岩盐结构拓扑晶体绝缘体中的面内非线性霍尔响应

• 发表时间: 2022
• 作者: T. Nishijima;E. Shigematsu;R. Ohshima;Y. Ando and M. Shiraishi
• 通讯作者: Y. Ando and M. Shiraishi