NRL registrerer modsat spin i topologiske isolatoroverfladetilstande

Forskere ved US Naval Research Laboratory (NRL) har rapporteret den første direkte sammenligning af spinpolarisering genereret i de topologisk beskyttede Dirac-tilstande i en topologisk isolator (TI) vismuthselenid (Bi2Se3) og den trivielle 2-dimensionelle elektrongas (2DEG) stater på overfladen af ​​indiumarsenid (InAs).

NRL -forskergruppen valgte de to materialer for klart at skelne polarisationsbidragene fra de lineære Dirac- og paraboliske 2DEG -overfladetilstande. Identiske enhedsstrukturer og målinger blev udført på hver:Bi2Se3, en topologisk isolator, der vides at have både lineære Dirac- og trivielle 2DEG -overfladetilstande; og InAs, en fælles halvleder, der kun udviser de trivielle 2DEG overfladetilstande.

I hvert tilfælde, spinpolarisationen genereres spontant af en upolariseret biasstrøm, og detekteret ved hjælp af ferromagnetiske metalkontakter med en oxidtunnelbarriere. Forskerne demonstrerede, at tegnet på spin -polarisering fra disse to bidrag er modsat, bekræftelse af teoretiske forudsigelser og etablering af InAs som en fælles referenceprøve for fremtidige eksperimenter.

Teamet udviklede også en detaljeret model baseret på spin-afhængige elektrokemiske potentialer til eksplicit at udlede tegnet på den spin-spænding, der forventes for TI-overfladetilstandene, hvilket bekræfter deres eksperimentelle observationer og tidligere teoriforudsigelser.

"Opdager denne spin -polarisering direkte som en spænding, og differentierer bidragene fra disse to fundamentalt forskellige systemer, er nøglen til at forstå de grundlæggende egenskaber ved TI -materialer og tilslutte dem til elektroniske kredsløb til fremtidige apparatapplikationer "bemærker Dr. Connie Li, hovedforfatter til undersøgelsen. Dr. Berend Jonker, seniorforsker og hovedforsker, påpeger "Sameksistensen af ​​disse 2DEG -tilstande i TI -systemer har skabt betydelig kontrovers i tegn på målt spin -spænding. InAs giver en bredt tilgængelig, simpelthen udarbejdet referenceprøve, som forskningsgrupper rundt om i verden kan bruge til at benchmark lignende polarisationsmålinger i fremtiden. "

Topologiske isolatorer udgør en ny kvantefase af stof, hvor hovedparten nominelt er en isolator, men overfladelaget er optaget af lineært dispergerende metalliske tilstande befolket af masseløse Dirac fermioner, der er topologisk beskyttet mod forstyrrelser til deres miljø. Eksistensen af ​​denne klasse af materiale blev forudsagt fra studiet af "topologi, "en gren af ​​matematik, der beskriver egenskaber, der kun ændres trinvist. Nobelprisen i fysik i 2016 blev tildelt tre fysikere for at bruge topologiske begreber til at studere eksotiske faser af stof, der viser nye kvanteegenskaber, der kan forbedre fremtidens elektronik, superledere, og føre til kvantecomputere.

En af de mest markante egenskaber ved topologiske isolatorer er egenskaben ved spin-momentum-låsning-en elektrons spin i TI Dirac-overfladetilstanden er låst i ret vinkel i forhold til dens momentum. Dette indebærer følgelig, at når en upolariseret ladestrøm strømmer i de topologisk beskyttede overfladetilstande, en net -elektron -spin -polarisering skulle spontant forekomme.

Elektrisk adgang til disse tilstande er undertiden kompliceret af potentiel båndbøjning ved TI -overfladen, der kan føre til ladningsakkumulering og dannelse af trivielle 2DEG -tilstande med parabolsk energispersion. Disse 2DEG -tilstande nestes inden for og sameksisterer med de lineære Dirac -tilstande, og kan også generere en spinpolarisering på grund af stærk Rashba spin-orbit-kobling-en momentumafhængig opdeling af spinbånd i todimensionale kondenserede materiesystemer. Deres spiralformede spin -tekstur, eller tegn på den inducerede polarisering, imidlertid, forudsiges at være modsat den i TI Dirac -staterne, og med mindre størrelse.

Teamets opdagelse er et vigtigt skridt i den elektriske manipulation af spins i næste generations TI- og spin-orbit-koblingsbaserede kvanteenheder.