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Long-range spin transport on the surface of topological Dirac semimetal

トポロジカルディラック半金属表面における長距離スピン輸送

荒木 康史  ; 三澤 貴宏*; 野村 健太郎*

Araki, Yasufumi; Misawa, Takahiro*; Nomura, Kentaro*

本論文では、トポロジカルディラック半金属(TDSM)表面のギャップレス状態を介した、長距離スピン伝送を理論面から提案する。次世代のスピントロニクス素子の構築のためには、散逸の少ないスピン流を実現することが必要である。主要なスピン流のキャリアは金属中の伝導電子や磁性絶縁体中のスピン波であるが、これらはジュール熱やギルバート緩和により伝播距離が制限される問題がある。本研究ではTDSM(Cd$$_3$$As$$_2$$, Na$$_3$$Bi等)のスピン・ヘリカルな表面状態が、乱れに対して頑強である性質を用いて、低散逸で長距離のスピン輸送を提案する。2つの磁性絶縁体とTDSMの接合系を考え、一方の磁性体の磁化ダイナミクスにより、TDSM表面を介して他方の磁性体に注入されるスピン流に注目する。表面における輸送理論と、格子模型による実時間発展シミュレーションを併用することにより、TDSM表面を流れるスピン流は準量子化された値をとり、その値は界面の微視的な結合の構造によらないことを示す。さらに、このスピン流は長距離においても乱れに対して強いことを示し、TDSMがスピントロニクス素子へ応用可能な表面状態をもつことを提案する。

We theoretically propose the long-range spin transport mediated by the gapless surface states of topological Dirac semimetal (TDSM). Low-dissipation spin current is a building block of next-generation spintronics devices. While conduction electrons in metals and spin waves in ferromagnetic insulators (FMIs) are the major carriers of spin current, their propagation length is inevitably limited due to the Joule heating or the Gilbert damping. In order to suppress dissipation and realize long-range spin transport, we here make use of the spin-helical surface states of TDSMs, such as Cd$$_3$$As$$_2$$ and Na$$_3$$Bi, which are robust against disorder. Based on a junction of two FMIs connected by a TDSM, we demonstrate that the magnetization dynamics in one FMI induces a spin current on the TDSM surface flowing to the other FMI. By both the analytical transport theory on the surface and the numerical simulation of real-time evolution in the bulk, we find that the induced spin current takes a universal semi-quantized value that is insensitive to the microscopic coupling structure between the FMI and the TDSM. We show that this surface spin current is robust against disorder over a long range, which indicates that the TDSM surface serves as a promising system for realizing spintronics devices.

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