NRL檢測(cè)拓?fù)浣^緣體表面狀態(tài)中的相反自旋

海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)的科學(xué)家報(bào)告了拓?fù)浣^緣體(TI)硒化鉍(Bi2Se3)和平凡的二維電子氣(2DEG)在拓?fù)浔Ｗo(hù)的Dirac狀態(tài)下產(chǎn)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(lái)清楚地區(qū)分線(xiàn)性狄拉克和拋物線(xiàn)2DEG表面狀態(tài)的極化貢獻(xiàn)。在每個(gè)上進(jìn)行相同的器件結(jié)構(gòu)和測(cè)量：Bi2Se3，已知具有線(xiàn)性Dirac和平凡2DEG表面態(tài)的拓?fù)浣^緣體; 和InAs，一種只顯示平凡的2DEG表面態(tài)的普通半導(dǎo)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(chǎn)生，并且使用具有氧化物隧道勢(shì)壘的鐵磁金屬觸點(diǎn)來(lái)檢測(cè)。研究人員證明，這兩種貢獻(xiàn)的自旋極化符號(hào)相反，證實(shí)了理論預(yù)測(cè)并將InAs確立為未來(lái)實(shí)驗(yàn)的通用參考樣本。

該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于自旋相關(guān)電化學(xué)勢(shì)的詳細(xì)模型，明確推導(dǎo)出TI表面狀態(tài)預(yù)期的自旋電壓符號(hào)，這證實(shí)了他們的實(shí)驗(yàn)觀(guān)察和先前的理論預(yù)測(cè)。

“將這種自旋極化直接檢測(cè)為電壓，并區(qū)分這兩種根本不同的系統(tǒng)的貢獻(xiàn)，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(lái)器件應(yīng)用的關(guān)鍵”，主要作者Connie Li博士說(shuō)。這項(xiàng)研究。資深科學(xué)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(cè)量自旋電壓的跡象中產(chǎn)生了相當(dāng)大的爭(zhēng)議。InAs提供了一個(gè)廣泛可用的，簡(jiǎn)單準(zhǔn)備的參考樣本，世界各地的研究小組可能會(huì)使用它來(lái)對(duì)未來(lái)類(lèi)似的極化測(cè)量進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。“

拓?fù)浣^緣體構(gòu)成物質(zhì)的新量子相，其中體積名義上是絕緣體，但表面層由線(xiàn)性分散的金屬狀態(tài)占據(jù)，這些金屬狀態(tài)由無(wú)質(zhì)量Dirac費(fèi)米子填充，拓?fù)浔Ｗo(hù)免受其環(huán)境的擾動(dòng)。這種材料的存在是從“拓?fù)鋵W(xué)”的研究中預(yù)測(cè)出來(lái)的，“拓?fù)鋵W(xué)”是一種數(shù)學(xué)分支，描述了只能逐步改變的屬性。2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予三位物理學(xué)家，他們利用拓?fù)涓拍钛芯课镔|(zhì)的奇異階段，這些物質(zhì)表現(xiàn)出可能改善未來(lái)電子學(xué)，超導(dǎo)體和導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)的新型量子特性。

拓?fù)浣^緣體最引人注目的特性之一是自旋動(dòng)量鎖定 - TI Dirac表面狀態(tài)下的電子自旋與其動(dòng)量成直角。這因此暗示當(dāng)非極化充電電流在拓?fù)浔Ｗo(hù)的表面狀態(tài)中流動(dòng)時(shí)，凈電子自旋極化應(yīng)該自發(fā)地出現(xiàn)。

電子訪(fǎng)問(wèn)這些狀態(tài)有時(shí)會(huì)因TI表面的潛在能帶彎曲而變得復(fù)雜，這可能導(dǎo)致電荷累積并形成具有拋物線(xiàn)能量色散的平凡2DEG狀態(tài)。這些2DEG狀態(tài)嵌套在線(xiàn)性Dirac狀態(tài)內(nèi)并與其共存，并且還可能由于強(qiáng)Rashba自旋 - 軌道耦合而產(chǎn)生自旋極化 - 在二維凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)中自旋帶的動(dòng)量依賴(lài)性分裂。然而，預(yù)測(cè)它們的螺旋自旋紋理或激發(fā)極化的符號(hào)與TI狄拉克態(tài)的相反，并且具有較小的幅度。