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旋转电子开启未来复合电子的大门

三维拓扑绝缘体中表面自旋光电流的自旋注入和螺旋度

Linköping University

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IMAGE: The researchers have taken the first step towards transferring spin-oriented electrons between a topological insulator (orange layer) and a conventional semiconductor (blue layer). view more 

Credit: Weimin Chen

2017年6月30日Karin S�derlund Leifler 最近,来自林雪平大学的研究人员展示了将常规半导体同拓扑绝缘体(一种新发现的具有独特电气特性的物态)相结合的方法。该研究揭示了在半导体和拓扑绝缘体复合器件中控制和转移电子自旋的方法,为研制优于现有半导体电子元件的新型复合器件铺平了道路。他们的研究成果发表在新一期的Nature Communications 上。

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研究人员使用圆偏振光产生具有特定自旋的电子。照片来源: Peter Modin 如同地球围绕地轴旋转,电子也以顺时针或逆时针方向围绕着其自身的中轴旋转,即电子自旋。�自旋电子学� 是一种同时利用电子自旋和电荷的新型科技。该技术虽然目前仍然应用有限,主要集中于构建电脑硬盘。然而,自旋电子学相较于传统电子学具有很大的优势,包括其能提供更低的功耗和更高的速度。 从导电性看,天然材料分为导体,半导体和绝缘体三大类。而最近,研究人员发现了一种异常的物态,即 �拓扑绝缘体�。它的内部是绝缘体,但其表面是导体。拓扑绝缘体最引人注目的特征之一,就是电子必须沿着材料表面依赖于其自旋的特定方向上行进,这个属性被称为�自旋动量锁定�。

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Yuqing Huang。照片来源: Peter Modin

�拓扑绝缘体的表面就像为电子而组织的划分良好的高速公路,其中具有一种自旋方向的电子以一个方向行进,而具有相反自旋方向的电子则沿相反的方向行进。他们可以在各自方向快速行进,不会发生碰撞,也不会失去能量,� 林雪平大学物理、化学与生物学系(IFM)博士生Yuqing Huang说。 这些特性使拓扑绝缘体在自旋电子学上具有重要应用前景。然而,一个关键问题是如何在拓扑绝缘体中产生和操纵表面自旋电流。

更佳控制�

现在,站在该研究背后的科研团队已经迈出了实现在拓扑绝缘体和常规半导体之间转移自旋电子的第一步。

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研究人员为在拓扑绝缘体(橙色层)和常规半导体(蓝色层)之间转移自旋电子,已经走出了第一步。

他们首先在砷化镓(GaAs,一类电子元件中经常使用的半导体材料)中通过圆偏振光激发产生具有特定自旋的电子。圆偏振光内部电场顺时针或逆时针旋转决定了所形成的电子的自旋状态。随后他们将自旋极化的电子从GaAs注入到拓扑绝缘体中,从而在表面上形成特定方向的电流。研究人员可以控制电子自旋的取向,以及拓扑绝缘体碲化铋(Bi2Te3)表面电流的方向和大小。按照研究人员的看法,这种程度的灵活性是此前所未能实现的。并且,所有的测量都是在没有施加外部电压的情况下完成的,展示了其实现有效的光电转化的潜力。

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Irina Buyanova 照片来源: Peter Modin

�更令人兴奋的是,这里使用的GaAs是目前广泛使用的半导体材料,在手机中微波元件、太阳能电池和光探测器中都能找到它的身影。将GaAs与拓扑绝缘体集成,这将提供充分利用当下最成熟的半导体技术之一的机会。� Irina Buyanova教授说道。她是该研究背后的科研人员之一。� 这些发现对于设计依赖于物质与光的相互作用的新型自旋电子器件意义重大,这种技术被称为�自旋光电子学�。

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Weimin Chen 照片来源: Peter Modin

�我们将GaAs的优良光学特性与拓扑绝缘体的独特电气特性相结合。这为我们提供了设计自旋光电子器件的新思路。这些器件将在未来的信息技术中提供高效和强大的信息存储、交换、处理和读取的能力。� Weimin Chen教授表示。他是该项研究的领导人。

该项研究由林雪平大学和中国科学院上海科学家合作进行。 由瑞典研究委员会,瑞典政府在林雪平大学功能材料科学技术战略研究所,瑞典战略研究基金会和中国自然科学基金等支持下资助。

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发表文章: 三维拓扑绝缘体中表面自旋光电流的自旋注入和螺旋度控制, Y.Q.Huang, Y.X.Song, S.M.Wang, I.A.Buyanova, W.M.Chen, Nature Communications, 8, 2017年5月22日网上发表, doi: 10.1038/ncomms15401

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Weimin Chen, Irina Buyanova 和 Yuqing Huang。照片来源: Peter Modin

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