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《自然·通讯》刊登量子材料中心韩伟课题组关于拓扑表面态中自旋性质的研究工作
日期: 2016-11-15  信息来源: 量子材料科学中心

近日, 北京大学量子材料科学中心韩伟课题组与中心施靖课题组、张弛课题组、谢心澄课题组,中国科学技术大学的陈仙辉、吴涛课题组共同合作,对近藤拓扑绝缘体SmB6的表面态进行了自旋注入的实验,并成功发现了拓扑表面态中的逆Edelstein效应。这是人们首次成功地排除了拓扑绝缘体体态的干扰,更为纯净地展示来自拓扑绝缘体表面态的逆Edelstein效应。该工作被《自然·通讯》杂志以标题“Spin injection and inverse Edelstein effect in the surface states of topological Kondo insulator SmB6”报道。

自旋电子学一直致力于利用自旋自由度来研发新型的信息存储和信息技术。拓扑绝缘体作为一种新型的量子物质,在其表面态上狄拉克费米子的自旋极化方向和其动量方向是锁定在一起的,如图(a)所示。这种自旋轨道锁定会引起一些非常有趣的自旋相关的现象,比如Edelstein效应和逆Edelstein效应。但是当人们以基于Be2Se3的三维拓扑绝缘体为载体去展示这种来自表面态的自旋轨道锁定的性质时,体态自旋轨道耦合效应的存在成为了一个很难排除的干扰。近几年研究发现SmB6是一种新型的近藤拓扑绝缘体。正如图(b)所示,当温度低于~3K时,SmB6的体态将变得绝缘,只有表面态的载流子对导电有贡献。因此,近藤拓扑绝缘体是一种更为理想的研究拓扑绝缘体表面态性质的载体。

SmB6表面态中的自旋注入和逆Edelstein效应。(aSmB6表面态自旋动量锁定关系;(bSmB6电阻随温度的关系;(c)自旋泵浦注入到SmB6表面态;(d)测量到的电压随磁场关系。在正磁场,自旋向上注入,产生正电压;在负磁场,自旋向下注入,产生负电压。

如图(c)和图(d)所示,在陈仙辉课题组提供的SmB6样品和张弛课题组提供的微波氦3低温环境的帮助下,韩伟课题组使用自旋泵浦技术从坡莫合金(Py)向SmB6注入自旋流,并进行逆Edelstein效应的测量。工作系统地测量了逆Edelstein效应随频率、功率、温度和磁场角度的变化关系,从各个方面证实了所观察到的信号。在新型近藤拓扑绝缘体SmB6的表面态中对逆Edelstein效应的发现,将会进一步推动关于近藤拓扑绝缘体中的强关联物理的研究,并进一步推进人们在拓扑绝缘体表面态中探索如何更高效率地产生自旋流的步伐。

此文章已于2016年11月11日在《自然·通讯》上在线刊登(Nature Communications,7,13485 (2016);doi:10.1038/ncomms13485),北大博士生宋琪为第一作者,该项工作得到了国家自然科学基金委、国家科技部、中国科学院、中国科学院“百人计划”以及中组部“千人计划”的经费支持。

韩伟研究员实验室主页: http://www.phy.pku.edu.cn/~LabSpin/home.html

编辑:安宁


   
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