進展 | 低維拓撲超晶格中可調控的自旋輸運

2020-11-16 中科院物理所

自旋流的產生、操控與探測是自旋電子學研究的核心內容。目前人們致力於尋找、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為兩類：重金屬和拓撲材料，對於這兩類材料，其自旋流-電荷流轉化分別歸因於（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。然而對於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學國家重點實驗室成昭華研究員課題組一直致力於拓撲材料的自旋輸運研究，並取得一系列成果。在先前的工作中，他們通過拓撲材料能帶調控已經將Bi2Se3體系的λIEE提高了一個量級（Nano Lett. 2019, 19, 4420-4426）。近期， 他們與北卡羅納州大學Da-Li Sun教授、Alexander F. Kemper教授合作，系統地研究了低維拓撲超晶格中能帶依賴的自旋輸運現象。該課題組利用分子束外延方法，首次實現了(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，將純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高達1 ns，Bi截止面的自旋壽命τs也可達0.4 ns。該工作不僅預示著多重拓撲保護下長距離自旋輸運的可能性，同時也為實現拓撲超晶格中高效的自旋流-電荷流轉化提供了新的思路。相關工作發表在Advanced Materials 2020, 2005315。

圖1. (a)拓撲超晶格(□/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）沿著方向的ARPES圖。（c）拓撲超晶格的布裡淵區以及其在（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）。

圖2. (a) 自旋泵浦效應測量自旋-電荷轉化示意圖。（b）Bi和Bi2Se3截止面的λIEE隨超晶格周期N的變化關係。（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。

博士生孫瑞、Shijia Yang和楊旭為論文的共同第一作者，成昭華和Dali Sun 為共同通訊作者。北卡州立大學Alexander F. Kemper教授給予了第一性原理計算的支持，安徽大學葛炳輝教授等給予了高分辨電鏡測量的支持。該項研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中國科學院前沿科學研究計劃的資助以及北卡大學的支持。

相關工作連結：https://doi.org/10.1002/adma.202005315

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