NRL détecte le spin opposé dans les états de surface de l'isolant topologique

Anonim

Des scientifiques du Laboratoire de recherche navale des États-Unis (NRL) ont rapporté la première comparaison directe de la polarisation de spin générée dans les états de Dirac protégés topologiquement d’un isolant topologique (TI), le séléniure de bismuth (Bi2Se3) et le gaz électronique bidimensionnel trivial (2DEG). états à la surface de l'arséniure d'indium (InAs).

L'équipe de recherche du LNR a sélectionné les deux matériaux pour distinguer clairement les contributions de polarisation des états de surface linéaires de Dirac et 2DEG paraboliques. Des structures de dispositif et des mesures identiques ont été effectuées sur chacun: Bi2Se3, un isolant topologique connu pour avoir à la fois des états de surface linéaires Dirac et trivial 2DEG; et InAs, un semi-conducteur commun qui ne présente que les états de surface triviaux de 2DEG.

Dans chaque cas, la polarisation de spin est générée spontanément par un courant de polarisation non polarisé et détectée à l'aide de contacts métalliques ferromagnétiques avec une barrière tunnel d'oxyde. Les chercheurs ont démontré que le signe de la polarisation de spin de ces deux contributions est opposé, confirmant les prédictions théoriques et établissant les InAs comme échantillon de référence commun pour des expériences futures.

L'équipe a également développé un modèle détaillé basé sur des potentiels électrochimiques dépendant du spin pour dériver explicitement le signe de la tension de spin attendue pour les états de surface de l'IT, ce qui corrobore leurs observations expérimentales et les prédictions théoriques précédentes.

"Détecter cette polarisation de spin directement en tant que tension et différencier les contributions de ces deux systèmes fondamentalement différents est essentiel pour comprendre les propriétés de base des matériaux TI et les relier aux circuits électroniques pour les applications futures", explique le Dr Connie Li, auteur principal. de l'étude. Berend Jonker, chercheur principal et chercheur principal, souligne que "la coexistence de ces états 2DEG dans les systèmes TI a suscité une controverse considérable sur le signe de la tension de spin mesurée. InAs fournit un échantillon de référence le monde pourrait utiliser pour mesurer des mesures de polarisation similaires dans le futur. "

Les isolants topologiques constituent une nouvelle phase quantique de la matière où la masse est nominalement un isolant, mais la couche superficielle est occupée par des états métalliques dispersant linéairement, peuplés de fermions de Dirac sans masse, protégés topologiquement des perturbations de leur environnement. L'existence de cette classe de matériel a été prédite par l'étude de la "topologie", une branche des mathématiques qui décrit les propriétés qui ne changent que par étapes. Le prix Nobel de physique 2016 a été décerné à trois physiciens qui utilisent des concepts topologiques pour étudier des phases exotiques de la matière qui présentent de nouvelles propriétés quantiques susceptibles d'améliorer l'avenir de l'électronique, des supraconducteurs et de conduire à des ordinateurs quantiques.

L'une des propriétés les plus frappantes des isolants topologiques est celle du blocage de l'impulsion de spin - le spin d'un électron dans l'état de surface de Dirac de TI est verrouillé à angle droit par rapport à son moment. Cela implique par conséquent que lorsqu'un courant de charge non polarisé circule dans les états de surface topologiquement protégés, une polarisation nette du spin électronique devrait apparaître spontanément.

L'accès électrique à ces états est parfois compliqué par la flexion potentielle de la bande à la surface du TI qui peut conduire à une accumulation de charge et à la formation d'états 2DEG triviaux avec une dispersion d'énergie parabolique. Ces états 2DEG sont imbriqués et coexistent avec les états de Dirac linéaires et peuvent également générer une polarisation de spin due au fort couplage spin-orbite de Rashba - une séparation des bandes de spin dans les systèmes bidimensionnels condensés en fonction du moment. Leur texture de spin hélicoïdale, ou signe de la polarisation induite, devrait cependant être opposée à celle des états de Dirac de TI et de moindre amplitude.

La découverte de l'équipe est une étape essentielle dans la manipulation électrique des spins dans la nouvelle génération de TI et dans les dispositifs quantiques basés sur le couplage spin-orbite.

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