拓扑绝缘体的磁性调控及自旋注入研究

自旋电子学（spintronics）器件可以通过与电子自旋相关联的量子效应产生一些新奇的功能，其应用前景及重要性可以由刚刚获得诺贝尔物理学奖的巨磁电阻效应（GMR，一种典型的自旋电子学效应）得到说明。电子自旋注入是实现自旋电子学功能的基础。最近发现的拓扑绝缘体是物质的一种崭新状态。它的体电子状态是绝缘态，但是其表面是受拓扑保护的金属态。更重要的是，由于强烈的自旋轨道耦合作用，此表面态中电子的自旋方向由电子的运动动量方向所决定，向一定方向运动的电子具有确定的自旋取向，即其表面上有100%自旋极化的电子流。这种特性决定了拓扑绝缘体是实现电子自旋注入的理想材料。本课题将开展对拓扑绝缘体磁性的调控研究并进行基于拓扑绝缘体的自旋注入研究。本课题的开展有望拓宽我们对拓扑绝缘体的磁性质之了解，奠定拓扑绝缘体在自旋电子学中应用的物理基础并观测到一些奇特物理学新现象。

在拓扑绝缘体中引入铁磁性以打破时间反演对称性可以实现量子反常霍尔效应等新奇的拓扑量子现象。为此，我们开展了对拓扑绝缘体磁性的调控研究。通过调整提拉法制备Bi2Se3单晶时Bi和Se的配比，我们实现了对Bi2Se3单晶中载流子浓度的调控。在高载流子浓度样品中，我们发现了量子霍尔效应且量子电导与样品中范德瓦尔间隙数成正比。我们的发现首次给出了拓扑绝缘体中界面态的量子霍尔效应。其他研究组在Cr0.2Sb1.8-xBixTe3薄膜中发现了不随载流子浓度变化的铁磁性。为了验证这种特性是否是表面态的独特性质，我们测量了Cr0.2Sb1.8-xBixTe3单晶的结构、磁性及输运特性。结果显示，居里温度随载流子浓度的变化而变化，且p-d交换相互作用也随着载流子浓度的变化而改变。居里温度与载流子浓度及p-d交换相互作用的依赖关系可以很好地用RKKY模型进行拟合，显示Cr0.2Sb1.8-xBixTe3晶体的体电子态对应的磁性产生机制仍然是RKKY相互作用。利用XAFS方法，我们测量了磁性掺杂拓扑绝缘体中磁性杂质的近邻结构，首次观察到了杂质周围的剧烈结构弛豫。我们的结果为理论工作者进行理论计算时构建结构模型提供了基础信息。我们通过XMCD测量研究了铁磁性拓扑绝缘体中的铁磁性产生机制。通过XMCD测量和第一性原理计算，我们首次发现：在Cr掺杂(Sb,Bi)2Te3体系中，不仅Cr具有铁磁结构，Sb和Te也具有铁磁结构，且Cr磁矩与Sb磁矩平行，与Te磁矩反平行；直接交换相互作用导致Cr与Te的反平行耦合，P-d交换相互作用导致了Cr与Sb及Sb间的平行耦合；长程铁磁耦合由母体中的p态空穴产生，且Sb(Te) p和Cr d 电子状态的相互作用甚为关键。我们的研究首次给出了量子反常霍尔体系中铁磁性的产生机理，为进一步提高量子反常霍尔效应的实现温度奠定了基础。