光學操控拓撲絕緣體上自旋極化電流

拓撲絕緣體是一組很迷人的材料。只要電流在材料中流動，就會發生自旋極化現象。德國慕尼黑納米系統研究基地（NIM）的科學家博士生導師Alexander Holleitner及其合作夥伴現在首次在室溫下對自旋極化現象進行了光學測量。尤其他們成功地通過圓偏振光束將自旋極化電流引向邊緣，並讀出電路平面上的電子自旋極化。

大約十年前，科學家們發現了一組具有不尋常電子特性的被稱為「拓撲絕緣體」的材料。其內部作為一個絕緣體，但表面的導電性優於平均導電水平。 NIM物理學家教授組在新窗口中打開了外部鏈接，Alexander Holleitner成功地引導了具有相反磁化（短自旋極化）的電子朝向拓撲絕緣體的相反邊緣。

關鍵特徵是不需要外部磁場來產生這種現象。相反的自旋極化是源於一種稱為自旋軌道耦合的效應。電子的自旋與電子運動的方向之間的直接耦合能操控這種自旋軌道耦合。物理學家發現這種效應是可逆的。通過用偏振光誘導一定的磁化，它們可以控制樣品邊緣處的電流。他們的研究結果發表在Nature Communications上（"Spin Hall photoconductance in a three-dimensional topological insulator at room temperature"）。

圖示為與螺旋性相關的邊緣電導特性

三維拓撲絕緣體最著名的代表是重金屬合金，如硒化鉍或碲化鉍。科學家們將特殊的電子屬性歸結為量子物理現象：所謂的自旋霍爾效應。人們觀察到在表面層移動的所有電子都有一個明確的自旋。

在這種情況下，它們與材料內部的電子「拓撲」不同。表面電流的方向直接與電子自旋有關。在這樣的自旋軌道材料中，與具有負旋轉的電子相比，具有正自旋的電子總是以相反的方向流動。

Holleitner及他的同事現在發現了這一令人震驚的結果，即如果材料是導電的，這也適用於材料的內部。當電流流過拓撲絕緣體時，具有相反自旋的電子向相反的方向移動，並積聚在材料的拓撲邊緣。自旋分布的不平衡導致表面狀態的磁化。

磁電流：自旋電流

在傳統的導體中，電流總是由具有任意自旋取向的電子攜帶。然而，在拓撲絕緣體中，電子自旋與運動方向之間的直接耦合使得電子在不需要複雜的磁場或磁性材料的情況下，可以對電子進行特定的控制。

設計並實施了這些實驗且該研究論文的第一作者Paul Seifert解釋說：「這種電子自旋的操控是實現所謂的基於自旋的電子學的基本要求。」科學家們希望這種技術將被用於開發更強大的計算機或數據的安全加密。

用偏振光測量

非常小的電流和它們的磁化可以直接用偏振光探測到。在實際的實驗中，他們接觸兩個電極之間的拓撲絕緣體，並用圓偏振激光激發材料。通過選擇適當的極化，他們可以在材料中誘導磁化，因為可以選擇性地激勵具有不同自旋的電子。

通過一個電路，當改變光的極化時，科學家們能夠追蹤到拓撲絕緣體邊緣的自旋極化電流如何變化的。另外，科學家們觀察到拓撲絕緣體的局部磁化強度改變了反射光的偏振。因此，他們能夠直接檢測由電流產生的磁化或自旋極化。

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