中国科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
M04组供稿
第91期
2020年11月12日
低维拓扑超晶格中可调控的自旋输运

  自旋流的产生、操控与探测是自旋电子学研究的核心内容。目前人们致力于寻找、设计出高自旋流-电荷流相互转化、高电导率的强自旋轨道耦合材料,以期实现具有超低功耗的自旋电子学器件。强自旋轨道耦合材料主要分为两类:重金属和拓扑材料,对于这两类材料,其自旋流-电荷流转化分别归因于(逆)自旋霍尔效应和(逆)埃德尔施泰因效应。典型的拓扑材料包括拓扑绝缘体、狄拉克半金属和外尔半金属等,与传统重金属相比,它们的电荷流-自旋流转化效率要大一个量级以上,十分引人瞩目。然而对于大多数具有单一表面态的三维拓扑绝缘体来说,它们的自旋流到电荷流转化效率(λIEE)仍旧相对较小,亟待提高。

  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室成昭华研究员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体系的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低维拓扑超晶格可控生长,并对其不同截止面进行了能带计算(DFT)和测量(ARPES)。能带结果发现Bi截止面具有Rashba型的Dirac表面态,且具有巨大的自旋动量劈裂;而Bi2Se3截止面具有拓扑绝缘体和拓扑晶体绝缘体相共存的特性。进一步地,通过室温自旋泵浦测量,发现Bi截止面超晶格的λIEE高达1.26nm,Bi2Se3截止面超晶格λIEE提升到0.19 nm,将纯Bi2Se3的λIEE(~0.035nm)提升了一个量级以上。另一方面,通过自旋Hanle进动测量发现,在低维尺度下双拓扑保护使得Bi2Se3截止面的自旋寿命τs高达1 ns,Bi截止面的自旋寿命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和杨旭为论文的共同第一作者,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。

  相关工作链接:http://www.215tyc.com/611/10.1002/adma.202005315

图1. (a)拓扑超晶格(□/Bi2Se3)-( Bi2Se3/Bi2Se3)N or (Bi2/Bi2Se3)-( Bi2Se3/Bi2Se3)N的结构示意图。(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图。(c)拓扑超晶格的布里渊区以及其在(0001)面的投影(左);DFT计算能带结果(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随超晶格周期N的变化关系。(c)Bi2Se3相关的拓扑绝缘体中λIEE总结。(d)自旋进动示意图。(e)Bi截止面(左)和Bi2Se3截止面(右)自旋寿命测量结果图。