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。



