我国科学家在低维拓扑超晶格中可调控的自旋输运研究中取得重要进展

低维拓扑超晶格 科学技术
研值Bang    2020-12-17    524

自旋流的产生、操控与探测是自旋电子学研究的核心内容。目前人们致力于寻找、设计出高自旋流-电荷流相互转化、高电导率的强自旋轨道耦合材料,以期实现具有超低功耗的自旋电子学器件。然而对于大多数具有单一表面态的三维拓扑绝缘体来说,它们的自旋流到电荷流转化效率(λIEE)仍旧相对较小,亟待提高。

  在国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项等科技计划的支持下,中国科学院物理研究所的研究人员通过拓扑材料能带调控已经将Bi2Se3体系的λIEE提高了一个量级。他们系统研究了低维拓扑超晶格中能带依赖的自旋输运现象,利用分子束外延方法,首次实现了(Bi2/Bi2Se3)N低维拓扑超晶格的可控生长,并对其不同截止面进行了能带计算(DFT)和测量(ARPES)。能带结果发现Bi截止面具有Rashba型的Dirac表面态,且具有巨大的自旋动量劈裂;而Bi2Se3截止面具有拓扑绝缘体和拓扑晶体绝缘体相共存的特性。进一步地,通过室温自旋泵浦测量,发现Bi截止面超晶格的λIEE高达1.26 nm,Bi2Se3截止面超晶格λIEE提升到0.19 nm,将纯Bi2Se3的λIEE(~0.035 nm)提升了一个量级以上。另一方面,通过自旋Hanle进动测量发现,在低维尺度下双拓扑保护使得Bi2Se3截止面的自旋寿命τs高达1 ns,Bi截止面的自旋寿命τs也可达0.4 ns。该工作不仅预示着多重拓扑保护下长距离自旋输运的可能性,同时也为实现拓扑超晶格中高效的自旋流-电荷流转化提供了新的思路。

         


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