檢測量子材料中的自旋電流的新方法釋放了替代電子器件

精確測量流過量子材料表面的電子的神秘行為和磁性的新方法可以為下一代電子學開辟道路。

硅基半導體位于電子設備的核心，依賴于負責為電子設備供電的受控電流。這些半導體只能接收電子的能量電荷，但電子不僅僅帶電荷。它們還具有稱為自旋的固有角動量，這是量子材料的一個特征，雖然難以捉摸，但可以通過操縱來增強電子器件。

由能源部橡樹嶺實驗室的李安平領導的一個科學家團隊開發(fā)了一種創(chuàng)新的顯微技術來檢測拓撲絕緣體中的電子自旋，拓撲絕緣體是一種可用于此類應用的新型量子材料。作為自旋電子學和量子計算。

“自旋電流，即移動電子的總角動量，是拓撲絕緣體中的一種行為，在開發(fā)自旋敏感方法之前無法解釋，”Li說。

電子設備繼續(xù)快速發(fā)展，需要更多的功率包裝到更小的組件中。這促使人們需要更低成本，更節(jié)能的電荷電子設備替代品。拓撲絕緣體沿其表面承載電流，而在散裝材料內更深，它充當絕緣體。流過材料表面的電子表現出均勻的自旋方向，這與電子在不同方向上旋轉的半導體不同。

“基于電荷的設備比基于自旋的設備的能源效率低，”李說。“為了使旋轉有用，我們需要控制它們的流動和方向。”

為了檢測并更好地理解這種古怪的粒子行為，該團隊需要一種對移動電子自旋敏感的方法。他們的新顯微鏡方法是在Bi 2 Te 2 Se 單晶上測試的，Bi 2 Te 2 Se是一種含有鉍，碲和硒的材料。它測量了沿著材料表面產生多少電壓，因為電子流在特定點之間移動，同時感測每個電子自旋的電壓。

這種新方法建立在四探針掃描隧道顯微鏡的基礎上，該顯微鏡是一種可通過四個可移動探測尖端精確定位材料原子活動的儀器 - 通過添加一個組件來觀察材料表面上電子的自旋行為。該方法不僅包括自旋靈敏度測量。它還將電流限制在表面上的一個小區(qū)域，這有助于防止電子逃離表面，從而提供高分辨率的結果。

“我們成功地檢測到了電子自旋電流產生的電壓，”李先生說，他與“ 物理評論快報”( Physical Review Letters)發(fā)表的一篇論文合著 ，解釋了這種方法。“這項工作為拓撲絕緣體中的自旋電流提供了明確的證據，并開辟了研究最終可能應用于下一代電子器件的其他量子材料的新途徑。”