未来信息技术:用于超快自旋电子学的拓扑材料

未来信息技术:用于超快自旋电子学的拓扑材料
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以飞秒时间分辨率获得的 Sb 电子结构的快照。请注意费米能量 ( EF )上方的光谱权重变化。图片来源:HZB/Nature Communications Physics

量子物理定律统治着微观世界。例如,它们确定电子穿过晶体的难易程度,从而确定材料是金属、半导体还是绝缘体。量子物理学可能会导致某些材料的奇异特性:在所谓的拓扑绝缘体中,只有能够占据某些特定量子态的电子才能像表面上的无质量粒子一样自由移动,而体中的电子则完全不存在这种移动性. 更重要的是,材料“皮肤”中的传导电子必然是自旋极化的,并形成坚固的金属表面状态,可用作在飞秒时间尺度上驱动纯自旋电流的通道 (1 fs = 10 -15 s)。

这些特性为开发基于拓扑材料的新信息技术(例如超快自旋电子学)开辟了令人兴奋的机会,通过利用其表面上的电子自旋而不是电荷。特别是,飞秒激光脉冲在这些材料中的光激发代表了实现高效、无损自旋信息传输的有前途的替代方案。利用这些特性的自旋电子设备具有卓越性能的潜力,因为它们可以将信息传输速度提高到比现代电子设备快一千倍的频率。

然而,在开发自旋电子器件之前,仍有许多问题需要回答。例如,拓扑材料的体电子和表面电子如何响应外部刺激(即激光脉冲)的详细信息,以及它们在超短时间尺度上的集体行为的重叠程度。

由 HZB 物理学家 Jaime Sánchez-Barriga 博士领导的团队现在对这种机制带来了新的见解。该团队还与莫斯科罗蒙诺索夫州立大学的同事合作创建了亥姆霍兹-RSF 联合研究小组,研究了元素锑 (Sb) 的单晶,之前认为它是一种拓扑材料。“在一个简单的系统中研究有趣的物理学是一个很好的策略,因为这是我们希望了解基本原理的地方,”Sánchez-Barriga 解释说。“这种材料拓扑性质的实验验证要求我们直接观察其处于高度激发态的电子结构,具有时间、自旋、能量和动量分辨率,通过这种方式,我们获得了不寻常的电子动力学,”

目的是了解体中和 Sb 表面上的激发电子对外部能量输入的反应速度,并探索控制其响应的机制。“通过控制初始激光激发和第二个脉冲之间的时间延迟,使我们能够探测电子结构,我们能够创建一个关于激发态如何在超快时间尺度上离开和返回平衡的全时间分辨图片。时间和自旋分辨能力的独特组合还使我们能够直接探测远离平衡的激发态的自旋极化”,Oliver J. Clark 博士说。

数据显示表面状态的瞬态占据能量-动量色散中的“扭结”结构,这可以解释为有效电子质量的增加。作者能够证明,这种质量增强在确定来自体和表面的电子动力学行为的复杂相互作用中起着决定性作用,这也取决于它们在超快光激发后的自旋。

“我们的研究揭示了这类材料的哪些基本特性是系统控制相关时间尺度的关键,在这些时间尺度中可以产生和操纵无损自旋极化电流,”Sánchez-Barriga 解释说。这些都是迈向基于拓扑材料的自旋电子器件的重要步骤,该器件具有用于超快信息处理的先进功能。

更多信息: Oliver J. Clark et al, Observation of a giant mass enhancement in the ultrafast electron dynamics of a topological semimetal, Communications Physics (2021). DOI: 10.1038/s42005-021-00657-6