NRL检测拓扑绝缘体表面状态中的相反自旋

海军研究实验室(NRL)的科学家报告了拓扑绝缘体(TI)硒化铋(Bi2Se3)和平凡的二维电子气(2DEG)在拓扑保护的Dirac状态下产生的自旋极化的首次直接比较砷化铟(InAs)表面的状态。

NRL研究小组选择这两种材料来清楚地区分线性狄拉克和抛物线2DEG表面状态的极化贡献。在每个上进行相同的器件结构和测量：Bi2Se3，已知具有线性Dirac和平凡2DEG表面态的拓扑绝缘体; 和InAs，一种只显示平凡的2DEG表面态的普通半导体。

在每种情况下，自旋极化由非偏振的偏置电流自发地产生，并且使用具有氧化物隧道势垒的铁磁金属触点来检测。研究人员证明，这两种贡献的自旋极化符号相反，证实了理论预测并将InAs确立为未来实验的通用参考样本。

该团队还开发了一个基于自旋相关电化学势的详细模型，明确推导出TI表面状态预期的自旋电压符号，这证实了他们的实验观察和先前的理论预测。

“将这种自旋极化直接检测为电压，并区分这两种根本不同的系统的贡献，是理解TI材料基本特性并将它们与电子电路连接以用于未来器件应用的关键”，主要作者Connie Li博士说。这项研究。资深科学家兼首席研究员Berend Jonker博士指出，“TI系统中这些2DEG状态的共存在测量自旋电压的迹象中产生了相当大的争议。InAs提供了一个广泛可用的，简单准备的参考样本，世界各地的研究小组可能会使用它来对未来类似的极化测量进行基准测试。“

拓扑绝缘体构成物质的新量子相，其中体积名义上是绝缘体，但表面层由线性分散的金属状态占据，这些金属状态由无质量Dirac费米子填充，拓扑保护免受其环境的扰动。这种材料的存在是从“拓扑学”的研究中预测出来的，“拓扑学”是一种数学分支，描述了只能逐步改变的属性。2016年诺贝尔物理学奖授予三位物理学家，他们利用拓扑概念研究物质的奇异阶段，这些物质表现出可能改善未来电子学，超导体和导致量子计算机的新型量子特性。

拓扑绝缘体最引人注目的特性之一是自旋动量锁定 - TI Dirac表面状态下的电子自旋与其动量成直角。这因此暗示当非极化充电电流在拓扑保护的表面状态中流动时，净电子自旋极化应该自发地出现。

电子访问这些状态有时会因TI表面的潜在能带弯曲而变得复杂，这可能导致电荷累积并形成具有抛物线能量色散的平凡2DEG状态。这些2DEG状态嵌套在线性Dirac状态内并与其共存，并且还可能由于强Rashba自旋 - 轨道耦合而产生自旋极化 - 在二维凝聚态物质系统中自旋带的动量依赖性分裂。然而，预测它们的螺旋自旋纹理或激发极化的符号与TI狄拉克态的相反，并且具有较小的幅度。