拓扑绝缘体自旋输运性质的研究

As a new quantum state of matter discovered recently, topological insulators (TIs) have attracted significant attention in the field of condensed matter physics.Much progress has been achieved in the study of TIs during the past few years, which greatly deepens our understanding of the exotic physics of TIs. But the interdisciplinary study of TI， especially within the context of spintronics, is still at its initial stage and many novel spin-related phenomena are still waiting to be revealed.This project aims to investigate the spin transport properties of TIs, which mainly consists of the following three parts: 1)Spin injection, transport and detection in TIs; 2)Current-induced surface spin polarization in TIs; 3)Spin Hall effect and inverse spin Hall effect in TIs.The successful fulfillment of this project will not only reveal exciting and novel spin transport phenomena closely associated with the unique spin-helical Dirac cones of TIs , but also pave the way for the future application of TIs in spintronics.

拓扑绝缘体是最近几年才被人们发现的一种新的量子物质态，对其的研究现已迅速成为当今凝聚态物理研究的热点之一。虽然拓扑绝缘体研究在近年取得了飞快的进展，不断加深人们对拓扑绝缘体独特物理性质的认识，但拓扑绝缘体和自旋电子学的交叉研究目前还几乎是一片空白，尚处于起步阶段。为此，申请人将深入开展对拓扑绝缘体Bi2Se3或Bi2Te3自旋输运性质的研究，其将包括以下三个方面的内容：1）自旋电子在拓扑绝缘体上的注入、输运和探测； 2) 拓扑绝缘体表面电流激发产生的电子自旋极化现象；3）拓扑绝缘体上的自旋霍尔效应及其逆过程的研究。此项研究的顺利开展不仅会深刻揭示拓扑绝缘体独特的表面能态结构给电子自旋输运带来新奇的物理现象，而且还会为未来拓扑绝缘体在自旋电子学上的应用打下基础。

在本科研项目执行期间，我们系统性地开展了一系列拓扑绝缘体或狄拉克半金属磁输运性质的研究，并取得了一系列的研究成果。主要包括：1）在拓扑狄拉克半金属Cd3As2上观察到手征反常导致的负磁阻现象；2）深入研究拓扑绝缘体的电子电子相互作用；3）在高指数（221）拓扑绝缘体薄膜上发现一种新型的高温线性磁阻效应；4）系统研究拓扑绝缘体/超导体异质结的电子输运特性; 5) 研究FeTe超导薄膜的涡旋玻璃态和二维体系WSe2和MoS2的面内横向肖特基结。以上研究成果均已发表在国际主流科学期刊（Nature Communications, ACS Nano, Applied Physics Letters等）。通过该科研项目的执行，我们不仅有效锻炼了本课题组的学术队伍，而且也加强了本课题组与香港科技大学王建农教授课题组和香港大学沈顺清教授课题组的学术合作。项目执行期间所积累的学术研究成果及相关的研究经验将为我们进一步开展各类拓扑材料输运性质的研究打下坚实的基础，而项目执行期间所碰到的问题也为我们指明了下一步努力的方向。