NRL檢測拓撲絕緣體表面狀態(tài)中的相反自旋

海軍研究實驗室(NRL)的科學家報告了拓撲絕緣體(TI)硒化鉍(Bi2Se3)和平凡的二維電子氣(2DEG)在拓撲保護的Dirac狀態(tài)下產生的自旋極化的首次直接比較砷化銦(InAs)表面的狀態(tài)。

NRL研究小組選擇這兩種材料來清楚地區(qū)分線性狄拉克和拋物線2DEG表面狀態(tài)的極化貢獻。在每個上進行相同的器件結構和測量：Bi2Se3，已知具有線性Dirac和平凡2DEG表面態(tài)的拓撲絕緣體; 和InAs，一種只顯示平凡的2DEG表面態(tài)的普通半導體。

在每種情況下，自旋極化由非偏振的偏置電流自發(fā)地產生，并且使用具有氧化物隧道勢壘的鐵磁金屬觸點來檢測。研究人員證明，這兩種貢獻的自旋極化符號相反，證實了理論預測并將InAs確立為未來實驗的通用參考樣本。

該團隊還開發(fā)了一個基于自旋相關電化學勢的詳細模型，明確推導出TI表面狀態(tài)預期的自旋電壓符號，這證實了他們的實驗觀察和先前的理論預測。

“將這種自旋極化直接檢測為電壓，并區(qū)分這兩種根本不同的系統(tǒng)的貢獻，是理解TI材料基本特性并將它們與電子電路連接以用于未來器件應用的關鍵”，主要作者Connie Li博士說。這項研究。資深科學家兼首席研究員Berend Jonker博士指出，“TI系統(tǒng)中這些2DEG狀態(tài)的共存在測量自旋電壓的跡象中產生了相當大的爭議。InAs提供了一個廣泛可用的，簡單準備的參考樣本，世界各地的研究小組可能會使用它來對未來類似的極化測量進行基準測試。“

拓撲絕緣體構成物質的新量子相，其中體積名義上是絕緣體，但表面層由線性分散的金屬狀態(tài)占據(jù)，這些金屬狀態(tài)由無質量Dirac費米子填充，拓撲保護免受其環(huán)境的擾動。這種材料的存在是從“拓撲學”的研究中預測出來的，“拓撲學”是一種數(shù)學分支，描述了只能逐步改變的屬性。2016年諾貝爾物理學獎授予三位物理學家，他們利用拓撲概念研究物質的奇異階段，這些物質表現(xiàn)出可能改善未來電子學，超導體和導致量子計算機的新型量子特性。

拓撲絕緣體最引人注目的特性之一是自旋動量鎖定 - TI Dirac表面狀態(tài)下的電子自旋與其動量成直角。這因此暗示當非極化充電電流在拓撲保護的表面狀態(tài)中流動時，凈電子自旋極化應該自發(fā)地出現(xiàn)。

電子訪問這些狀態(tài)有時會因TI表面的潛在能帶彎曲而變得復雜，這可能導致電荷累積并形成具有拋物線能量色散的平凡2DEG狀態(tài)。這些2DEG狀態(tài)嵌套在線性Dirac狀態(tài)內并與其共存，并且還可能由于強Rashba自旋 - 軌道耦合而產生自旋極化 - 在二維凝聚態(tài)物質系統(tǒng)中自旋帶的動量依賴性分裂。然而，預測它們的螺旋自旋紋理或激發(fā)極化的符號與TI狄拉克態(tài)的相反，并且具有較小的幅度。