Wetenschappers van het US Naval Research Laboratory (NRL) hebben de eerste directe vergelijking gerapporteerd van de spinpolarisatie gegenereerd in de topologisch beschermde Dirac-toestanden van een topologische isolator (TI) bismutselenide (Bi2Se3) en het triviale 2-dimensionale elektronengas (2DEG) staten aan het oppervlak van indiumarsenide (InAs).

Het NRL-onderzoeksteam selecteerde de twee materialen om de polarisatiebijdragen duidelijk te onderscheiden van de lineaire Dirac- en parabolische 2DEG-oppervlaktetoestanden. Identieke apparaatstructuren en metingen werden uitgevoerd op elk:Bi2Se3, een topologische isolator waarvan bekend is dat deze zowel lineaire Dirac- als triviale 2DEG-oppervlakken heeft; en InAs, een gewone halfgeleider die alleen de triviale 2DEG-oppervlaktetoestanden vertoont.

In ieder geval, de spinpolarisatie wordt spontaan gegenereerd door een ongepolariseerde biasstroom, en gedetecteerd met behulp van ferromagnetische metalen contacten met een oxidetunnelbarrière. De onderzoekers toonden aan dat het teken van de spinpolarisatie van deze twee bijdragen tegengesteld is, het bevestigen van theoretische voorspellingen en het vaststellen van InAs als een gemeenschappelijk referentiemonster voor toekomstige experimenten.

Het team ontwikkelde ook een gedetailleerd model op basis van spin-afhankelijke elektrochemische potentialen om expliciet het teken af ​​te leiden van de spinspanning die wordt verwacht voor de TI-oppervlaktetoestanden, die hun experimentele waarnemingen en eerdere theoretische voorspellingen bevestigt.

"Deze spinpolarisatie direct detecteren als een spanning, en het onderscheiden van de bijdragen van deze twee fundamenteel verschillende systemen, is de sleutel tot het begrijpen van de basiseigenschappen van TI-materialen en het koppelen ervan aan elektronische schakelingen voor toekomstige apparaattoepassingen", merkt Dr. Connie Li op, hoofdauteur van de studie. Dr. Berend Jonker, senior wetenschapper en hoofdonderzoeker, wijst erop dat "Het naast elkaar bestaan ​​van deze 2DEG-toestanden in TI-systemen heeft geleid tot aanzienlijke controverse over het teken van de gemeten spinspanning. InAs biedt een algemeen beschikbaar, eenvoudigweg een referentiemonster opgesteld dat onderzoeksgroepen over de hele wereld kunnen gebruiken om soortgelijke polarisatiemetingen in de toekomst te benchmarken."

Topologische isolatoren vormen een nieuwe kwantumfase van materie waarbij het grootste deel nominaal een isolator is, maar de oppervlaktelaag wordt ingenomen door lineair verspreidende metallische toestanden bevolkt door massaloze Dirac-fermionen die topologisch beschermd zijn tegen verstoringen van hun omgeving. Het bestaan ​​van deze materiaalklasse werd voorspeld door de studie van "topologie, " een tak van de wiskunde die eigenschappen beschrijft die alleen stapsgewijs veranderen. De 2016 Nobelprijs voor Natuurkunde werd toegekend aan drie natuurkundigen voor het gebruik van topologische concepten om exotische fasen van materie te bestuderen die nieuwe kwantumeigenschappen vertonen die toekomstige elektronica kunnen verbeteren, supergeleiders, en leiden tot kwantumcomputers.

Een van de meest opvallende eigenschappen van topologische isolatoren is die van spin-impulsvergrendeling - de spin van een elektron in de TI Dirac-oppervlaktetoestand wordt haaks op zijn momentum vergrendeld. Dit impliceert bijgevolg dat wanneer een ongepolariseerde laadstroom vloeit in de topologisch beschermde oppervlaktetoestanden, een netto-elektronenspinpolarisatie zou spontaan moeten verschijnen.

Elektrisch toegang krijgen tot deze toestanden wordt soms bemoeilijkt door potentiële bandbuiging aan het TI-oppervlak, wat kan leiden tot accumulatie van lading en vorming van triviale 2DEG-toestanden met parabolische energiedispersie. Deze 2DEG-toestanden nestelen zich in en bestaan ​​naast de lineaire Dirac-toestanden, en kan ook een spinpolarisatie genereren vanwege de sterke Rashba-spin-baankoppeling - een momentumafhankelijke splitsing van spinbanden in tweedimensionale systemen van gecondenseerde materie. Hun spiraalvormige spintextuur, of teken van de geïnduceerde polarisatie, echter, wordt voorspeld tegengesteld aan die van de TI Dirac-staten, en met een kleinere omvang.

De ontdekking van het team is een essentiële stap in de elektrische manipulatie van spins in op TI en spin-baankoppeling gebaseerde kwantumapparaten van de volgende generatie.