特別說明：本文由學(xué)研匯技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創(chuàng)丨愛吃帶魚的小分子（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
將相對論物理學(xué)納入量子隧穿可以導(dǎo)致奇異的行為，研究通過設(shè)計和實現(xiàn)使用拓?fù)銴ondo絕緣體候選六硼化釤的納米線的隧穿幾何結(jié)構(gòu)，探索了自旋動量鎖定的相對論費米子的隧穿特性。
Z2拓?fù)浣^緣體(TI)的非平凡拓?fù)涞闹苯咏Y(jié)果是存在奇數(shù)個具有狄拉克色散的自旋動量鎖定邊界模式。當(dāng)費米能量在體帶隙內(nèi)調(diào)整時，傳輸以狄拉克表面態(tài)為主，可以觀察到明顯的拓?fù)洮F(xiàn)象。這種情況下，自旋動量鎖定與狄拉克色散相結(jié)合，要求沿給定方向流動的凈電流必須是自旋極化的，而沿相反方向流動的電流攜帶相反的自旋。高自旋電荷轉(zhuǎn)換效率和邊界狀態(tài)的拓?fù)浔Ｗo(hù)使TI在“拓?fù)渥孕娮訉W(xué)”以及控制量子位等量子技術(shù)中的具有廣泛應(yīng)用。TI邊界模式也是探索相對論費米子獨特隧道特性的理想平臺。
然而在實踐中，將TI用于基礎(chǔ)研究和應(yīng)用的一個重大瓶頸是：許多基于半導(dǎo)體的TI存在導(dǎo)致自摻雜的固有缺陷，這會將費米能量移動到體帶中。表面態(tài)的拓?fù)淦鹪慈匀淮嬖跔幾h。
有鑒于此，美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校Vidya Madhavan和佛羅里達(dá)州立大學(xué)國家高磁場實驗室Lin Jiao和中山大學(xué)劉飛教授等報道使用了一種獨特的隧道幾何形狀來揭示一種獨特的隧道過程（螺旋隧道）。結(jié)果表明來自SmB6納米線的隧穿電子是自旋極化的，自旋極化方向與隧穿方向相關(guān)。相關(guān)工作以《Spin-selective tunneling from nanowires of the candidate topological Kondo insulator SmB6》為題在Science上發(fā)表論文。
主要結(jié)論
1. 為了確定隧道電流的自旋極化，使用基于聚焦離子束的納米加工技術(shù)來收集SmB6納米線并將其連接到通常用作STM尖端的蝕刻鎢線的末端，其中使用的納米線是在硅(Si)基板上生長的，直徑60-100 nm，平均長度~50 μm（圖 1）。納米線沿[001]方向生長并橫向終止于高對稱面。SmB6納米線尖端充當(dāng)自旋極化電流的來源。結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于矩陣元素效應(yīng)，自旋平行狀態(tài)之間有利于隧穿，而自旋反平行狀態(tài)之間則受到抑制；
圖 1. SmB6納米線尖端的形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。
2. 對塊狀SmB6的傳輸和光譜實驗表明，隨著溫度的升高，SmB6中的狄拉克表面態(tài)會衰減，并且在10-14 K左右從表面主導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w積主導(dǎo)狀態(tài)。圖2在較低溫度下可以清楚地看到AFM順序。然而，在~10 K時，AFM順序的條紋特征消失，只留下Te晶格的原子波紋。溫度依賴性表明表面態(tài)的存在與自旋極化對比度之間存在因果關(guān)系，且（i）隧道電流確實是自旋極化的，（ii）當(dāng)隧道方向反轉(zhuǎn)（螺旋隧道）時，自旋極化反轉(zhuǎn)；
圖 2. 溫度依賴性顯示自旋對比度減小
3. 研究發(fā)現(xiàn)隧道電流的自旋極化對費米能量相對于狄拉克點的位置不敏感，只取決于隧道的方向，這種自旋動量鎖定狄拉克費米子的這些獨特性質(zhì)可直接用于在自旋電子學(xué)領(lǐng)域操縱自旋電流。此外，還可以在不使用外部磁場的情況下以原子分辨率檢測表面或局部缺陷的磁對比。同樣，也可以應(yīng)用于非常規(guī)尖端的掃描探針顯微鏡，用于納米級磁成像的量子材料的新興領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)：
AnuvaAishwarya et al. Spin-selective tunneling from nanowires of the candidate topological Kondo insulator SmB6. Science (2022), 377：1218-1222.
DOI: 10.1126/science.abj8765
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj8765
