Study of spin and electronic properties of topological insultator films regulated by the surface and the interface atomic layers.

Project leaders

Paolo Moras, Iwao Matsuda

Agreement

GIAPPONE - JSPS - Japan Society for the Promotion of Science

Call

CNR/JSPS 2012-2013

Department

Materials and Devices

Thematic area

Physical sciences and technologies of matter

Status of the project

New

Research proposal

Gli isolanti topologici (topological insulators) costituiscono un nuovo stato della materia condensata scoperto di recente. Si tratta di leghe cristalline tra bismuto ed altri elementi più leggeri di tipo sp, come antimonio, selenio e tellurio. Questi materiali sono isolanti nel bulk, ma conduttori sulla superficie, grazie a stati elettronici di singolo spin che attraversano il livello di Fermi. L’interesse sollevato dagli isolanti tipologici è vasto e spazia dal campo della fisica di base, dove vengono considerati, per esempio, come sistemi modello per lo studio dell’effetto spin Hall quantistico, a quello tecnologico, per le potenziali applicazioni nel campo della spintronica.
Gran parte delle indagini sperimentali riguardanti gli isolanti topologici è stata condotta finora su sistemi cristallini di bulk, mentre il loro comportamento è relativamente poco noto quando sono in forma di film di spessore nanometrico. La miniaturizzazione è un presupposto necessario all’integrazione di questi nuovi materiali nelle strutture a molti strati, che caratterizzano i moderni dispositivi elettronici, ed ha conseguenze sostanziali sulle proprietà elettroniche. In sistemi metallici bidimensionali di spessore ridotto a qualche decina di strati atomici, processi di quantizzazione della struttura elettronica sono responsabili di proprietà senza controparte nei rispettivi sistemi di bulk. Un esempio ben conosciuto è l’accoppiamento di scambio indiretto tra layers magnetici (Interlayer Exchange Coupling), associato al fenomeno della magneto-resistenza gigante (Giant Magneto-Resistance). Diminuendo lo spessore degli isolanti topologici a livello nanometrico si attendono fenomeni di quantizzazione che ne ridefiniscano la struttura elettronica e inducano una sequenza di transizioni di fase (isolante topologico tridimensionale, fase spin Hall quantistica bidimensionale, semiconduttore a gap nulla, isolante normale). In aggiunta, il rapporto tra il numero di atomi alle superficie (o alle interfacce) ed il numero di atomi del film cresce sensibilmente quando si raggiungono dimensioni nanometriche. Piccoli cambiamenti nella composizione chimica della superficie od un’opportuna scelta delle caratteristiche del materiale con cui un isolante topologico ultrasottile viene interfacciato possono consentire di modificare finemente la struttura elettronica e, quindi, di indurre e controllare nuove proprietà funzionali.
In questo contesto, la presente proposta di ricerca mira ad investigare attraverso tecniche spettroscopiche la struttura a bande, la polarizzazione di spin e la dinamica elettronica e di spin di film nanometrici di isolanti topologici cresciuti su substrati ferromagnetici. Gli isolanti topologici sono caratterizzati da un forte accoppiamento di tipo Rashba, che risolve la degenerazione di spin per gli elettroni di superficie. In un materiale ferromagnetico, d’altra parte, l’interazione di scambio introduce una disparità nell’occupazione degli stati con spin opposto in prossimità del livello di Fermi. Portando a contatto i due tipi materiali sono attesi fenomeni di ibridizzazione elettronica dipendenti dallo spin attraverso l’interfaccia. Scegliendo opportunamente le condizioni di crescita, quali la composizione e lo spessore dei film, il materiale e l’orientazione cristallografica dei substrati, si potranno osservare nuovi stati elettronici con topologie e carattere di spin differenti da quelle originali. Inoltre, la formazione di stati ibridi lega la dinamica elettronica e di spin dell’isolante topologico a quella del substrato ferromagnetico. Esperimenti di pump and probe in fotoemissione sulla scala dei femto-secondi potrebbero chiarire, ad esempio, il ruolo delle interazioni spin-orbitale e di scambio nella dinamica di demagnetizzazione in questi sistemi. Nonostante il rilevante ed evidente interesse di queste tematiche, ad oggi non esistono dati sperimentali che descrivano né lo stato fondamentale né la dinamica di film di isolanti topologici interfacciati con materiali magnetici.
I due gruppi partecipanti, guidati dal Prof. Iwao Matsuda (gruppo giapponese) e dal Dr. Paolo Moras (gruppo italiano) hanno una lunga esperienza nel campo della spettroscopia applicata a sistemi ordinati su scala nanometrica. Entrambi i gruppi hanno sviluppato, nei rispettivi laboratori di luce di sincrotrone, la strumentazione adatta alla crescita per MBE (molecular beam epitaxy) di materiali cristallini e alla loro caratterizzazione. Il gruppo italiano gestisce per conto dell’ISM-CNR la linea VUV-Photoemission presso il sincrotrone Elettra. Questo laboratorio è dedicato all’analisi della struttura elettronica dei materiali attraverso la fotoemissione con altissima risoluzione energetica ed angolare, ottenute grazie alla combinazione di una sorgente di luce ad alta brillanza nel range VUV/Soft X-rays ed all’impiego di un analizzatore elettrostatico emisferico ad alta efficienza (Scienta R4000 WAL). In modo complementare, la strumentazione sviluppata dal gruppo giapponese offre la possibilità di utilizzare tecniche di fotoemissione con risoluzione della polarizzazione di spin (linea 19A presso Photon Factory) e temporale (linea BL07LSU presso SPring-8). Il gruppo guidato dal Prof. Matsuda gestisce direttamente questi laboratori e, pertanto, può dedicare una quota appropriata di tempo macchina al completamento del progetto. Inoltre, esiste una proficua collaborazione tra i due gruppi che recentemente ha portato alla pubblicazione di rilevanti articoli scientifici nel campo delle strutture bidimensionali con alto accoppiamento Rashba [1,2].
[1] K. He, Y. Takeichi, M. Ogawa, T. Okuda, P. Moras, D. Topwal, A. Harasawa, T. Hirahara, C. Carbone, A. Kakizaki, and I. Matsuda, Phys. Rev. Lett. 104, 156805 (2010).
[2] N. Miyata, H. Narita, M. Ogawa, A. Harasawa, R. Hobara, T. Hirahara, P. Moras, D.Topwal, C.Carbone, S.Hasegawa, and I. Matsuda, Phys. Rev. B, 83, 195305 (2011).

Research goals

Il progetto si propone di comprendere il comportamento elettronico e spintronico in sistemi in cui i fenomeni di quantizzazione, l’interazione Rashba e l’interazione di scambio agiscono sulla medesima scala energetica. In particolare si ambisce a definire lo stato fondamentale di film di isolanti topologici interagenti con elementi magnetici, e l’evoluzione delle proprietà elettroniche e di spin in processi dinamici ultraveloci sulla scala dei femto- e pico-secondi. Il progetto farà uso esteso di tecniche spettroscopiche complementari sviluppate dai due gruppi partecipanti. Presso il laboratorio VUV-Photoemission verrà eseguita l’analisi della struttura elettronica E=E(k) con altissima risoluzione energetica e angolare. La polarizzazione di spin delle bande sarà studiata presso la linea 19A alla Photon Factory. La dinamica elettronica e di spin, infine, sarà esaminata con esperimenti di pump and probe in fotoemissione risolta in tempo sulla linea BL07LSU a SPring-8.
Il progetto è indirizzato allo studio di film sottili cristallini di Bi2Se3 e Bi2Te3 cresciuti su elementi magnetici. Questi isolanti topologici tendono ad auto assemblarsi in film di spessore definito e multiplo della cella unitaria. Substrati quali Fe(110), Co(111) e Ni(111), con diversa morfologia, struttura elettronica e magnetica, consentiranno di variare l’accoppiamento di scambio all’interfaccia e, quindi, indurre la formazione di stati ibridi isolante topologico/ferromagnete con differenti proprietà.

Last update: 20/04/2024