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南科大量子院俞大鹏团队在《物理评论快报》发表拓扑自旋电子学研究重要进展

近日,南方科技大学量子科学与工程研究院院长、中国科学院院士俞大鹏团队在拓扑自旋电子学领域取得重要进展,相关成果以“Electric Control of Fermi Arc Spin Transport in Individual Topological Semimetal Nanowires”为题发表在国际权威物理学期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,并被编辑推荐(Editors’suggestion)。同时,国际评论杂志《物理》(Physics)亦以“Viewpoint”形式对相关研究成果做了专题介绍。


研究人员通过低温量子输运实验揭示了狄拉克半金属表面态费米弧(Fermiarc)的自旋动量锁定特性,并通过控制栅压进一步调控费米弧自旋信号的有无,研制出了新型的场效应晶体管原型。该成果不仅对拓扑半金属的基础研究具有重要意义,而且对未来拓扑自旋电子学的实际应用也具有重要推动作用。

拓扑和物理的结合给凝聚态物理带来了全新的视角,也催生了如今蓬勃发展的各类拓扑材料,如拓扑绝缘体、拓扑半金属、拓扑超导体等。其中拓扑半金属以其不同寻常的拓扑表面态(在动量空间中为连接Weyl点在二维布里渊区投影的一段费米弧)备受人们关注。该费米弧具有一系列奇特的性质,其中重要的一点就是自旋动量锁定特性。

图1:在拓扑半金属纳米线中施加一个直流电就可以实现载流子的自旋极化。

图中ke代表电子的运动方向,粉红色和绿色箭头分别代表上表面和下表面电子的自旋方向。增加栅压时,自旋信号会消失,这就是拓扑场效应晶体管的原理。


自旋是电子(或者说载流子)的内禀属性,在非磁性材料中,电子的自旋并没有特定的指向,因而也没有自旋极化。自旋动量锁定特性的奇特之处在于,对一个非磁性没有自旋极化的材料(如拓扑半金属)施加直流电,就可以在材料中探测到自旋极化信号。而且更换电流方向,也会使自旋极化反转。区别于传统的用磁学的方式来操纵自旋,研发这种新型的用电学方式操纵自旋的方法有助于设计未来新型自旋电子学器件。

但令人头疼的是,拓扑半金属不只有导电的表面态,还有导电的体态。而且由于体态的贡献往往远大于表面态,导致表面态的自旋信号会被轻易地淹没在体态的信号中。如何获取更纯粹的表面态信号成为了一大难题。研究人员从材料的选取、实验方案的改进等方面着手,最终将其攻破。

图2:(a)拓扑半金属Cd3As2纳米线的高分辨透射电子显微镜图。(b) 基于拓扑半金属纳米线的量子器件测量配置图(局域测量法)。(c)(d)直流方向变化前后表面态自旋信号引起的磁滞回线图。


研究团队巧妙利用纳米线具有高表面积占比这一特性,生长了拓扑半金属Cd3As2的高质量单晶纳米线,并制备了相应的量子输运器件。然后通过普通金属电极(金,Au)向器件注入直流电,并采用磁性金属电极(钴,Co)来探测自旋信号。从而成功探测到了由表面态自旋信号引起的磁滞回线。研究人员进一步改变直流的方向,观测到了磁滞回线的反转,从而揭示了因直流方向改变引起的自旋极化的反转,证实了表面态的自旋动量锁定特性。

图3:(a)用非局域的方式测量拓扑半金属纳米线中的自旋信号,电流注入端和电压探测端完全分开。(b) 清晰的非局域的自旋信号引起的磁滞回线图。

局域的四端测量法是较为常用的信号测量方法,也是研究人员最初采用的方法。但是采用这种方法时,体态和表面态信号都杂糅到了一起,导致实际测得的信号中有很大的体态背景信号。为了消除体态背景信号的干扰,研究团队构思并设计了一种奇巧的实验方案:通过非局域的测量方式,让电流注入端和电压探测端分开。此时载流子将不得不通过扩散的方式抵达电压端从而产生电压信号。但是由于体态的载流子平均自由程很短,所以体态的载流子会经历一系列碰撞和散射,很难抵达电压端。而表面态的载流子存在拓扑保护的自旋极化,可以传输很远。因此体态的信号被过滤,表面态的信号被筛选出来(图3)。实验结果表明,电压探测端测到的信号几乎没有体态背景信号,这就为下一步设计具有高开关比的场效应晶体管奠定了基础。

图4:狄拉克半金属中的能带示意图(引自点评本工作的Physics


通过非局域的器件构型,团队可得到几乎是纯表面态的自旋信号。那么,操控自旋的方向除了改变电流方向这种方式外,是否还有其他的电学方式呢?答案是肯定的,秘诀就在于拓扑半金属Cd3As2 所特有的Lifshitz相变(这是拓扑半金属Cd3As2和与其它拓扑材料不同的地方)。团队对拓扑半金属Cd3As2施加栅压调控其费米能级时发现,费米能级正好在狄拉克点附近时,存在两段费米弧。而当它的费米能级越过Lifshitz相变点时,费米弧消失,自旋信号也随即消失。由此可知,改变栅压即可进一步调控费米弧自旋信号。

研究人员发现,当施加栅压超过10V时,自旋信号就会消失。从而实现了晶体管的开关效应。而非局域的器件配置由于可以略去体态背景信号,因而可以拥有很高的开关比。基于此,研究人员提出了一种新型的基于拓扑半金属表面态自旋的场效应晶体管——拓扑场效应晶体管的实现方案,并申请了相应的专利

总的来说,由于拓扑半金属表面态和体态都导电,表面态信号的观测成为了一大研究难题。尤其是在揭示费米弧的自旋动量锁定特性方面,无论从器件制备还是信号测量上都需要克服一系列困难。研究人员通过生长拓扑半金属Cd3As2的高质量单晶纳米线,制备局域和非局域两种量子输运器件,成功观测到了表面态费米弧的自旋信号,并且发现还可以通过调控栅压实现自旋信号的开关效应,进而提出了一种新型的场效应晶体管——拓扑场效应晶体管的实施方案,为未来拓扑自旋电子学的实际应用提供了更多可能。

俞大鹏团队助理研究员林本川、王硕为共同第一作者,北京大学教授廖志敏为该论文通讯作者。廖志敏、俞大鹏对整个项目予以指导。该研究得到了科技部重点专项、国家自然科学基金等的支持。

论文链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.116802





供稿单位:量子科学与工程研究院

编辑:吴一敏

主图设计:丘妍