物理所等揭示低維拓撲超晶格中能帶依賴的自旋輸運現象

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，它們的電荷流-自旋流轉化效率與傳統重金屬相比大一個量級以上。然而對於大多數具有單一表面態的三維拓撲絕緣體來説，它們的自旋流到電荷流轉化效率（λ_IEE）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研究員成昭華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。在先前工作中，他們通過拓撲材料能帶調控已經將Bi₂Se₃體系的λ_IEE提高了一個量級。近期， 他們與美國北卡羅納州大學研究人員等合作，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。團隊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。通過室温自旋泵浦測量，研究發現Bi截止面超晶格的λ_IEE高達1.26nm，Bi₂Se₃截止面超晶格λ_IEE提升到0.19 nm，將純Bi₂Se₃的λ_IEE（~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τ_s高達1 ns，Bi截止面的自旋壽命τ_s可達0.4 ns。該工作不僅預示着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思路。相關工作發表在Advanced Materials上。

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科院前沿科學研究計劃等的資助。

論文鏈接 

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）沿着\(\rm\overline{ K}-\overline{Γ}-\overline{M}\) 方向的ARPES圖。（c）拓撲超晶格的布里淵區以及其在（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隨超晶格週期N的變化關係。（c）Bi₂Se₃相關的拓撲絕緣體中λ_IEE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。