物理所在退相干對量子自旋霍爾效應的影響研究中取得新進展

　　近日，中科院物理研究所凝聚態理論與材料計算實驗室研究員謝心澄，孫慶豐和博士生江華、成淑光在前期的工作基礎上，進一步的研究了退相干對量子自旋霍爾效應的影響。該工作發表在 [Physical Review Letter 103, 036803(2009)]。

　　拓撲絕緣體是現代凝聚態物理中的一個重要研究主題。從電子能帶結構上來說，拓撲絕緣態不能用傳統的「金屬」，「絕緣體」來描述；而是一種全新的物質態。它的體電子態是有能隙的絕緣態；但它的表面（對三維體系）或者邊緣（對二維體系）電子態則是零能隙有手性的金屬態。由強磁場引起的量子霍爾效應是第一類被發現的拓撲絕緣態。它的發現已對現代物理學產生了深遠的影響，並二次共四人從而獲得諾貝爾獎。最近幾年人們陸續預言並實驗發現幾種二維或三維材料在特定條件下會形成新的拓撲絕緣態。這類拓撲絕緣態由材料的強自旋軌道耦合引起，不破壞時間反演對稱性，被稱為Z2類拓撲絕緣態。量子自旋霍爾效應是最早被實驗證實的二維該類拓撲絕緣體。在量子自旋霍爾樣品中，由於強自旋軌道耦合，載流子只能沿著樣品邊緣傳輸，但是對於不同自旋的載流子來說它們的傳輸方向完全相反。量子自旋霍爾效應最早由Pennsylvania 大學的Kane和Mele在單層石墨烯樣品中提出。很快被史丹福大學的張守晟研究組推廣到HgTe/CdTe 量子阱體系，並在非常短的時間內被德國的Laurens Molenkamp研究組實驗證實。在他們的實驗中，他們測量了縱向電阻。在介觀樣品中他們觀測到量子化的縱向電阻平臺，從而間接證實了量子自旋霍爾效應和拓撲性質。但是該量子化平臺僅僅出現在介觀尺度樣品中；當樣品尺度變大時，儘管平臺屬性還能夠保持，但是其值已經遠遠偏離量子化值。而在第一類拓撲絕緣體（即量子霍爾效應）中，量子化霍爾平臺能夠在宏觀尺度被觀測到。

　　在近五年來，該研究組對量子自旋霍爾效應和自旋電子學開展深入研究。並取得了一系列的成果：提出自旋流產生的方法和自旋流探測方法、給出自旋流的定義、研究自旋霍爾效應的性質、發現自旋流能產生電場、以及預言有自旋軌道耦合的體系存在持續自旋流等。

　　在近期的研究中，他們把退相干分成二類來考慮：一類是普通退相干，即載流子僅僅丟失位相記憶，但保留自旋記憶，例如由電子-電子相互作用、電-聲子相互作用等引起的退相干；另一類是自旋退相干，即載流子既丟失位相記憶也丟失自旋記憶，例如由磁性雜質，核自旋等引起的退相干。他們的研究發現：普通退相干對量子自旋霍爾效應幾乎沒有影響，但自旋退相干急劇影響量子自旋霍爾效應，破壞縱向電導的量子化。如圖1所示，隨著普通退相干變大時，縱向電阻的量子化平臺幾乎不變；但是當體系有自旋退相干時，縱向電阻強烈增加。由於在實驗體系中，或多或少存在自旋退相干，使得縱向量子化電導平臺只能在介觀尺度被觀測到，這很好的解說了最近的實驗觀測結果。再者，他們發現縱向電阻隨樣品長度線性增加而基本上不依賴於樣品寬度的變化，這些特性也與實驗結果很好符合。另外，他們進一步引入一個新的物理量，即一個新的自旋霍爾電阻，並發現該自旋霍爾電阻也能表現出量子化平臺的特性。特別是，他們研究結果表明該自旋霍爾電阻的量子化平臺對兩種類型的退相干都不敏感（見圖2）。也就是說這量子化平臺在宏觀樣品中也能被觀測到，所以它能全面反應量子自旋霍爾效應的拓撲特性。

　　圖1：(a)是一個六端的自旋霍爾裝置的示意圖。(b)和(c)顯示縱向電阻與有效磁場的關係，不同曲線對應於不同的退相干強度；(b)為普通退相干；(c)為自旋退相干。

　　圖2：新的自旋霍爾阻與有效磁場的關係。(a)是有普通退相干，和(b)為自旋退相干。不同曲線的退相干強度不同。