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Mapping spin–charge conversion to the band structure in a topological oxide two-dimensional electron gas

Authors :
Diogo C. Vaz
Manali Vivek
Luis M. Vicente-Arche
Marc Gabay
Laurent Vila
Sergio Valencia
Paul Noël
Siobhan McKeown-Walker
Agnès Barthélémy
Felix Trier
Manuel Bibes
Felix Baumberger
Jean-Philippe Attané
Börge Göbel
Anke Sander
Hanako Okuno
Pierre Bruneel
Albert Fert
Nicolas Bergeal
Ingrid Mertig
Gyanendra Singh
Annika Johansson
Flavio Y. Bruno
Unité mixte de physique CNRS/Thales (UMPhy CNRS/THALES)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-THALES
SPINtronique et TEchnologie des Composants (SPINTEC)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG)
Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA))
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA))
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
Martin-Luther-Universität Halle Wittenberg (MLU)
Univ Geneva, DQMP, 24 Quai Ernest, CH-1211 Geneva 4, Switzerland
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialen & Energie
Laboratoire de Physique des Solides (LPS)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)
Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux (UMR 8213) (LPEM)
Ecole Superieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire d'Etude des Matériaux par Microscopie Avancée (LEMMA )
Modélisation et Exploration des Matériaux (MEM)
Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])
THALES [France]-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG)
ANR-17-CE24-0026,OISO,SPINORBITRONIQUE A BASE D'OXYDES.(2017)
ANR-16-CE24-0017,TOP-RISE,Isolant topologique et etats d'interfaces Rashba pour l'électronique de spin(2016)
Unité Mixte de Physique CNRS-Thales (UMPhy CNRS-Thales)
Thales Research & Techology-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG)
Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux (LPEM)
ESPCI ParisTech-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire d'Etude des Matériaux par Microscopie Avancée (LEMMA)
Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG)
Source :
Nature Materials, Nature Materials, Nature Publishing Group, 2019, ⟨10.1038/s41563-019-0467-4⟩, Nature Materials, 2019, ⟨10.1038/s41563-019-0467-4⟩, Nature Materials (2019)
Publication Year :
2019
Publisher :
Springer Science and Business Media LLC, 2019.

Abstract

While spintronics has traditionally relied on ferromagnetic metals as spin generators and detectors, spin–orbitronics exploits the efficient spin–charge interconversion enabled by spin–orbit coupling in non-magnetic systems. Although the Rashba picture of split parabolic bands is often used to interpret such experiments, it fails to explain the largest conversion effects and their relationship with the electronic structure. Here, we demonstrate a very large spin-to-charge conversion effect in an interface-engineered, high-carrier-density SrTiO3 two-dimensional electron gas and map its gate dependence on the band structure. We show that the conversion process is amplified by enhanced Rashba-like splitting due to orbital mixing and in the vicinity of avoided band crossings with topologically non-trivial order. Our results indicate that oxide two-dimensional electron gases are strong candidates for spin-based information readout in new memory and transistor designs. Our results also emphasize the promise of topology as a new ingredient to expand the scope of complex oxides for spintronics. A very large spin-to-charge conversion arising from a combination of the Rashba effect and topologically non-trivial states is realized at the interface of strontium titanate and aluminium, with implications for the role of topology in memory and transistor designs.

Details

ISSN :
14764660 and 14761122
Volume :
18
Database :
OpenAIRE
Journal :
Nature Materials
Accession number :
edsair.doi.dedup.....5a3b528243546d367686ba03ecc9cf63