中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
M04組供稿
第91期
2020年11月12日
低維拓撲超晶格中可調控的自旋輸運

  自旋流的産生、操控與探測是自旋電子學研究的核心內容。目前人們致力于尋找、設計出高自旋流-電荷流相互轉化、高電導率的強自旋軌道耦合材料,以期實現具有超低功耗的自旋電子學器件。強自旋軌道耦合材料主要分爲兩類:重金屬和拓撲材料,對于這兩類材料,其自旋流-電荷流轉化分別歸因于(逆)自旋霍爾效應和(逆)埃德爾施泰因效應。典型的拓撲材料包括拓撲絕緣體、狄拉克半金屬和外爾半金屬等,與傳統重金屬相比,它們的電荷流-自旋流轉化效率要大一個量級以上,十分引人矚目。然而對于大多數具有單一表面態的三維拓撲絕緣體來說,它們的自旋流到電荷流轉化效率(λIEE)仍舊相對較小,亟待提高。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁学国家重点实验室成昭华研究員课题组一直致力于拓扑材料的自旋输运研究,并取得一系列成果。在先前的工作中,他们通过拓扑材料能带调控已经将Bi2Se3體系的λIEE提高了一个量级(Nano Lett. 2019, 19, 4420-4426)。近期, 他们与北卡罗纳州大学Da-Li Sun教授、Alexander F. Kemper教授合作,系统地研究了低维拓扑超晶格中能带依赖的自旋输运现象。该课题组利用分子束外延方法,首次实现了(Bi2/Bi2Se3 )N低維拓撲超晶格可控生長,並對其不同截止面進行了能帶計算(DFT)和測量(ARPES)。能帶結果發現Bi截止面具有Rashba型的Dirac表面態,且具有巨大的自旋動量劈裂;而Bi2Se3截止面具有拓撲絕緣體和拓撲晶體絕緣體相共存的特性。進一步地,通過室溫自旋泵浦測量,發現Bi截止面超晶格的λIEE高達1.26nm,Bi2Se3截止面超晶格λIEE提升到0.19 nm,将纯Bi2Se3的λIEE(~0.035nm)提升了一個量級以上。另一方面,通過自旋Hanle進動測量發現,在低維尺度下雙拓撲保護使得Bi2Se3截止面的自旋壽命τs高达1 ns,Bi截止面的自旋壽命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。相关工作发表在Advanced Materials 2020, 2005315。

  博士生孙瑞、Shijia Yang和杨旭为論文的共同第一作者,成昭华和Dali Sun 为共同通讯作者。北卡州立大学Alexander F. Kemper教授给予了第一性原理计算的支持,安徽大学葛炳辉教授等给予了高分辨电镜测量的支持。该项研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院前沿科学研究计划的资助以及北卡大学的支持。

  相關工作鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202005315

图1. (a)拓扑超晶格(□/Bi2Se3)-( Bi2Se3/Bi2Se3)N or (Bi2/Bi2Se3)-( Bi2Se3/Bi2Se3)N的結構示意圖。(b)Bi2Se3截止面(左)和Bi截止面(右)沿著\(\rm\overline{ K}-\overline{Γ}-\overline{M}\) 方向的ARPES圖。(c)拓撲超晶格的布裏淵區以及其在(0001)面的投影(左);DFT計算能帶結果(右)。(d)Bi2Se3截止面(左)和Bi截止面(右)。

图2. (a) 自旋泵浦效应测量自旋-电荷转化示意图。(b)Bi和Bi2Se3截止面的λIEE隨超晶格周期N的變化關系。(c)Bi2Se3相關的拓撲絕緣體中λIEE總結。(d)自旋進動示意圖。(e)Bi截止面(左)和Bi2Se3截止面(右)自旋壽命測量結果圖。