Spin-to-charge conversion in Bi2Se3/NiFe heterostructures

Topological insulators are electronic materials with extraordinary properties: they have a band gap like normal insulators but protected metallic states on their surface. This is possible due to the combination of time-reversal symmetry and spin-orbit interaction. The interest in future quantum computing or spintronics applications on these materials is ever growing, due to their high potentialities. The surface states exhibit an interesting property, the so-called spin-momentum locking: at the surface, spin and momentum are always locked at a right 90o angle. In this thesis, spin-to-charge conversion in Bi2Se3=Ni80Fe20 heterostructures is studied. Ferromagnetic resonance and voltage measurements are used in order to characterize the materials and to detect inverse spin Hall effect. The latter, under precise experimental geometry, gives a clear signature of spin-to-charge conversion in the topological insulator, opening the chance for future applications of the material in spintronics.

Gli isolanti topologici sono una nuova classe di materiali con proprieta’ straordinarie: sono isolanti al loro interno e conduttori in superficie. Questa peculiare caratteristica e’ possibile grazie alla combinazione di simmetria di inversione temporale e interazione spin-orbita. Recentemente, l’interese verso questi materiali e’ stato focalizzato verso applicazioni di quantum computing e spintronica grazie alle grandi potenzialita’ che offrono. In particolare sli stati di superficie mostrano una caratteristica chiamata spin-momentum locking: lo spin e il vettore d’onda di questi stati sono sempre perpendicolari tra loro. In questa tesi si studia la conversione spin-carica in un’eterostruttura formata da Bi2Se3=Ni80Fe20. Misure di risonanza ferromagnetica sono utilizzate per caratterizzare le proprieta’ magnetiche del materiale. Successivamente, la differenza di potenziale generata per effetto spin Hall inverso ai capi del campione viene misurata. Questa, sotto precise condizioni sperimentali ed un’attento design della geometria del campione, permette di avere informazioni sulla conversione da corrente di spin a corrente di carica nell’isolante topologico, aprendo numerose possibilita’ per future applicazioni nella spintronica.