拓撲自旋電子器件領域的重要進展

近年來興起的拓撲絕緣體及其量子相變體系存在著多種新奇物理效應，並趁著2016年拓撲相變獲得諾貝爾物理學獎的「東風」，在凝聚態物理學、量子材料科學、信息電子學等多學科領域產生了廣泛而深遠的影響，在未來低能耗自旋電子器件中具有潛在應用。與普通半導體相比，三維拓撲絕緣體(如硒化鉍Bi2Se3)最大的特色在於其存在獨特的拓撲表面態。而通過引入非磁元素(如銦In)摻雜，拓撲表面態會在拓撲臨界點發生奇異的量子相變，也就是說，材料從拓撲非平庸態向拓撲平庸態逐漸發生轉變。因此，拓撲量子相變在能帶上有著極強的調控力度，它可以使表面態逐漸打開能隙，進而使表面態消失。然而，如何利用拓撲臨界點的量子相變效應發展出新原理拓撲功能型器件一直是該研究領域的空白。

圖1. 新型拓撲磁感測器多維度、全空間矢量磁探測示意圖

利用拓撲絕緣體在相變過程中的奇異磁輸運性質，該團隊發展出了具有多維度、全空間矢量磁探測能力的新型拓撲磁感測器(圖1)。他們首先調節In摻雜濃度，探尋拓撲相變點附近的組分，利用角分辨光電子能譜(ARPES)技術確認了8% 的In組分能使Bi2Se3拓撲絕緣體單晶的能帶結構最靠近拓撲臨界點(圖2a)，而且從ARPES和輸運測量均確認了該組分仍處於拓撲非平庸態的一側。該相變點附近的(Bi0.92In0.08)2Se3遷移率高達18000 cm2/Vs@2 K，呈現出顯著的來自拓撲表面態貢獻的舒勃尼科夫-德哈斯(SdH)量子振蕩，結果發表於Chinese Physics B 26, 127305 (2017)，被遴選為該雜誌的封面亮點特色論文。隨後，團隊利用微加工技術把機械剝離的納米薄片(厚度約40至90 nm)製備成納米器件，對它進行了詳細的三維方向的變角度磁電阻輸運測量。主要結果顯示(圖2b, c)：磁場在面外掃場時，納米器件呈現出較大的正磁電阻；而磁場在面內掃場時，卻呈現出反常的負磁電阻現象；三個方向磁電阻比達到-3%(x):-1%(y):225%(z)，從而展現了一種全空間三軸矢量磁感測器的嶄新工作原理。通過大量的對照控制實驗，團隊將面內奇異負磁電阻現象歸因於拓撲臨界點誘導的納米薄片上下表面態的量子相干增強的耦合效應(圖2d)。當面內施加磁場時，拓撲表面態電子自旋會產生與磁場方向平行的自旋極化(圖2e)，因而電子隨著磁場增加自旋散射減少，電阻降低，並呈現出反常的負磁電阻行為。更重要的是，該原型器件的三軸矢量磁場探測的工作溫度可達到室溫。這是基於拓撲材料的電子器件極少數能持續工作至室溫的範例，預示著極大的實際應用前景。

圖2. 拓撲量子相變誘導的(Bi0.92In0.08)2Se3三軸各向異性磁電阻：(a) (Bi1–xInx)2Se3(x = 0, 0.08 & 0.16)的ARPES譜；(b) 三軸矢量磁電阻曲線；(c) 面內和面外不同角度的磁電阻強度；(d) 拓撲相變導致納米薄片上下表面態的量子相干增強的耦合效應示意圖；(e) 在上下表面態相干耦合時，施加面內磁場的自旋極化示意圖。

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