Ferromagnetic two-dimensional van der Waals materials attract enormous interest as a platform to explore spin-related quantum phenomena, especially in conjunction with other quantum materials. Topological insulator is one such candidate to form the junction, because the spin-polarized nature of the surface or interface Dirac states enables the highly efficient spin-charge conversion. Here, we report the current-driven magnetization switching in the bilayer film of a van der Waals ferromagnetic semimetal Fe3GeTe2 (FGT) and a topological insulator (Bi1−xSbx)2Te3 (BST). We observed the current-induced magnetization switching via the Edelstein effect in a wide temperature range, whose threshold current density is as small as that reported for the heterostructure of FGT with a Pt layer. By analyzing the transport properties in heterostructures with different Fermi level (EF) positions in the BST layer, we found that the EF position of the charge-transferred interface Dirac states causes the significant variation of the threshold current density with a Bi/Sb ratio. The present result may promise spintronic phenomena in heterostructures of 2D van der Waals ferromagnets with topological insulators/semimetals.

1.
C.
Gong
,
L.
Li
,
Z.
Li
,
H.
Ji
,
A.
Stern
,
Y.
Xia
,
T.
Cao
,
W.
Bao
,
C.
Wang
,
Y.
Wang
,
Z. Q.
Qiu
,
R. J.
Cava
,
S. G.
Louie
,
J.
Xia
, and
X.
Zhang
,
Nature
546
,
265
(
2017
).
2.
M.
Mogi
,
A.
Tsukazaki
,
Y.
Kaneko
,
R.
Yoshimi
,
K. S.
Takahashi
,
M.
Kawasaki
, and
Y.
Tokura
,
APL Mater.
6
,
091104
(
2018
).
3.
B.
Huang
,
G.
Clark
,
E.
Navarro-Moratalla
,
D. R.
Klein
,
R.
Cheng
,
K. L.
Seyler
,
D.
Zhong
,
E.
Schmidgall
,
M. A.
McGuire
,
D. H.
Cobden
,
W.
Yao
,
D.
Xiao
,
P.
Jarillo-Herrero
, and
X.
Xu
,
Nature
546
,
270
(
2017
).
4.
L. D.
Casto
,
A. J.
Clune
,
M. O.
Yokosuk
,
J. L.
Musfeldt
,
T. J.
Williams
,
H. L.
Zhuang
,
M. W.
Lin
,
K.
Xiao
,
R. G.
Hennig
,
B. C.
Sales
,
J. Q.
Yan
, and
D.
Mandrus
,
APL Mater.
3
,
041515
(
2015
).
5.
K.
Kim
,
J.
Seo
,
E.
Lee
,
K. T.
Ko
,
B. S.
Kim
,
B. G.
Jang
,
J. M.
Ok
,
J.
Lee
,
Y. J.
Jo
,
W.
Kang
,
J. H.
Shim
,
C.
Kim
,
H. W.
Yeom
,
B.
Il Min
,
B. J.
Yang
, and
J. S.
Kim
,
Nat. Mater.
17
,
794
(
2018
).
6.
S.
Liu
,
X.
Yuan
,
Y.
Zou
,
Y.
Sheng
,
C.
Huang
,
E.
Zhang
,
J.
Ling
,
Y.
Liu
,
W.
Wang
,
C.
Zhang
,
J.
Zou
,
K.
Wang
, and
F.
Xiu
,
npj 2D Mater. Appl.
1
,
30
(
2017
).
7.
Y.
Deng
,
Y.
Yu
,
Y.
Song
,
J.
Zhang
,
N. Z.
Wang
,
Z.
Sun
,
Y.
Yi
,
Y. Z.
Wu
,
S.
Wu
,
J.
Zhu
,
J.
Wang
,
X. H.
Chen
, and
Y.
Zhang
,
Nature
563
,
94
(
2018
).
8.
I. M.
Miron
,
K.
Garello
,
G.
Gaudin
,
P. J.
Zermatten
,
M. V.
Costache
,
S.
Auffret
,
S.
Bandiera
,
B.
Rodmacq
,
A.
Schuhl
, and
P.
Gambardella
,
Nature
476
,
189
(
2011
).
9.
X.
Wang
,
J.
Tang
,
X.
Xia
,
C.
He
,
J.
Zhang
,
Y.
Liu
,
C.
Wan
,
C.
Fang
,
C.
Guo
,
W.
Yang
,
Y.
Guang
,
X.
Zhang
,
H.
Xu
,
J.
Wei
,
M.
Liao
,
X.
Lu
,
J.
Feng
,
X.
Li
,
Y.
Peng
,
H.
Wei
,
R.
Yang
,
D.
Shi
,
X.
Zhang
,
Z.
Han
,
Z.
Zhang
,
G.
Zhang
,
G.
Yu
, and
X.
Han
,
Sci. Adv.
5
,
eaaw8904
(
2019
).
10.
M.
Alghamdi
,
M.
Lohmann
,
J.
Li
,
P. R.
Jothi
,
Q.
Shao
,
M.
Aldosary
,
T.
Su
,
B. P. T.
Fokwa
, and
J.
Shi
,
Nano Lett.
19
,
4400
(
2019
).
11.
M. Z.
Hasan
and
C. L.
Kane
,
Rev. Mod. Phys.
82
,
3045
(
2010
).
12.
V. M.
Edelstein
,
Solid State Commun.
73
,
233
(
1990
).
13.
A. R.
Mellnik
,
J. S.
Lee
,
A.
Richardella
,
J. L.
Grab
,
P. J.
Mintun
,
M. H.
Fischer
,
A.
Vaezi
,
A.
Manchon
,
E. A.
Kim
,
N.
Samarth
, and
D. C.
Ralph
,
Nature
511
,
449
(
2014
).
14.
R.
Yoshimi
,
K.
Yasuda
,
A.
Tsukazaki
,
K. S.
Takahashi
,
M.
Kawasaki
, and
Y.
Tokura
,
Sci. Adv.
4
,
eaat9989
(
2018
).
15.
K.
Yasuda
,
A.
Tsukazaki
,
R.
Yoshimi
,
K.
Kondou
,
K. S.
Takahashi
,
Y.
Otani
,
M.
Kawasaki
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
137204
(
2017
).
16.
E.
Lesne
,
Y.
Fu
,
S.
Oyarzun
,
J. C.
Rojas-Sanchez
,
D. C.
Vaz
,
H.
Naganuma
,
G.
Sicoli
,
J. P.
Attane
,
M.
Jamet
,
E.
Jacquet
,
J. M.
George
,
A.
Barthelemy
,
H.
Jaffres
,
A.
Fert
,
M.
Bibes
, and
L.
Vila
,
Nat. Mater.
15
,
1261
(
2016
).
17.
J. C.
Sanchez
,
L.
Vila
,
G.
Desfonds
,
S.
Gambarelli
,
J. P.
Attane
,
J. M.
De Teresa
,
C.
Magen
, and
A.
Fert
,
Nat. Commun.
4
,
2944
(
2013
).
18.
Y.
Fan
,
P.
Upadhyaya
,
X.
Kou
,
M.
Lang
,
S.
Takei
,
Z.
Wang
,
J.
Tang
,
L.
He
,
L. T.
Chang
,
M.
Montazeri
,
G.
Yu
,
W.
Jiang
,
T.
Nie
,
R. N.
Schwartz
,
Y.
Tserkovnyak
, and
K. L.
Wang
,
Nat. Mater.
13
,
699
(
2014
).
19.
K.
Kondou
,
R.
Yoshimi
,
A.
Tsukazaki
,
Y.
Fukuma
,
J.
Matsuno
,
K. S.
Takahashi
,
M.
Kawasaki
,
Y.
Tokura
, and
Y.
Otani
,
Nat. Phys.
12
,
1027
(
2016
).
20.
Z.
Fei
,
B.
Huang
,
P.
Malinowski
,
W.
Wang
,
T.
Song
,
J.
Sanchez
,
W.
Yao
,
D.
Xiao
,
X.
Zhu
,
A. F.
May
,
W.
Wu
,
D. H.
Cobden
,
J. H.
Chu
, and
X.
Xu
,
Nat. Mater.
17
,
778
(
2018
).
21.
J.
Zhang
,
C. Z.
Chang
,
Z.
Zhang
,
J.
Wen
,
X.
Feng
,
K.
Li
,
M.
Liu
,
K.
He
,
L.
Wang
,
X.
Chen
,
Q. K.
Xue
,
X.
Ma
, and
Y.
Wang
,
Nat. Commun.
2
,
574
(
2011
).
22.
R.
Yoshimi
,
A.
Tsukazaki
,
Y.
Kozuka
,
J.
Falson
,
K. S.
Takahashi
,
J. G.
Checkelsky
,
N.
Nagaosa
,
M.
Kawasaki
, and
Y.
Tokura
,
Nat. Commun.
6
,
6627
(
2015
).
23.
M.
Mogi
,
T.
Nakajima
,
V.
Ukleev
,
A.
Tsukazaki
,
R.
Yoshimi
,
M.
Kawamura
,
K. S.
Takahashi
,
T.
Hanashima
,
K.
Kakurai
,
T.
Arima
,
M.
Kawasaki
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
016804
(
2019
).
24.
R.
Watanabe
,
R.
Yoshimi
,
M.
Kawamura
,
M.
Mogi
,
A.
Tsukazaki
,
X. Z.
Yu
,
K.
Nakajima
,
K. S.
Takahashi
,
M.
Kawasaki
, and
Y.
Tokura
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
102403
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.