國科學家在低維拓撲超晶格中可調控的自旋輸運研究中取得重要進展

    自旋流的產生、操控與探測是自旋電子學研究的核心內容。目前人們致力于尋找、設計出高自旋流-電荷流相互轉化、高電導率的強自旋軌道耦合材料，以期實現具有超低功耗的自旋電子學器件。然而對于大多數具有單一表面態(tài)的三維拓撲絕緣體來說，它們的自旋流到電荷流轉化效率（λIEE）仍舊相對較小，亟待提高。

    在國家重點研發(fā)計劃“量子調控與量子信息”重點專項等科技計劃的支持下，中國科學院物理研究所的研究人員通過拓撲材料能帶調控已經將Bi2Se3體系的λIEE提高了一個量級。他們系統研究了低維拓撲超晶格中能帶依賴的自旋輸運現象，利用分子束外延方法，首次實現了(Bi2/Bi2Se3)N低維拓撲超晶格的可控生長，并對其不同截止面進行了能帶計算（DFT）和測量（ARPES）。能帶結果發(fā)現Bi截止面具有Rashba型的Dirac表面態(tài)，且具有巨大的自旋動量劈裂；而Bi2Se3截止面具有拓撲絕緣體和拓撲晶體絕緣體相共存的特性。進一步地，通過室溫自旋泵浦測量，發(fā)現Bi截止面超晶格的λIEE高達1.26 nm，Bi2Se3截止面超晶格λIEE提升到0.19 nm，將純Bi2Se3的λIEE（~0.035 nm）提升了一個量級以上。另一方面，通過自旋Hanle進動測量發(fā)現，在低維尺度下雙拓撲保護使得Bi2Se3截止面的自旋壽命τs高達1 ns，Bi截止面的自旋壽命τs也可達0.4 ns。該工作不僅預示著多重拓撲保護下長距離自旋輸運的可能性，同時也為實現拓撲超晶格中高效的自旋流-電荷流轉化提供了新的思路。