拓扑绝缘体中自旋依赖电子输运理论

In this project, we will study several spin-dependent electron transport phenomena in topological insulators, including spin-orbit torque, inverse spin Hall effect, and inverse Edelstein effect, which have recently been attracting intensive experimental attention. We will clarify the underlying mechanisms of the spin-orbit torque, inverse spin Hall effect, and inverse Edelstein effect, and reveal the effects of system size, impurity scattering, spin relaxation, and spin diffusion on these spin-dependent electronic transport phenomena, aiming to find the intrinsic rule, and solve experimental and theoretical issues at the frontier of the field. Furthermore, efforts will be devoted to the realizations of new effects and phenomena in topological insulators with both fundamental and practical interest, by using methods, such as AC electric field, rotating magnetization and design of heterostructures.

该面上项目拟对近期受到实验强烈关注的拓扑绝缘体中若干自旋依赖的电子输运现象开展理论研究，包括自旋-轨道力矩效应、反自旋霍尔效应、以及反Edelstein效应等。理论阐明拓扑绝缘体中自旋-轨道力矩、反自旋霍尔效应、和反Edelstein效应等的的物理机制，建立直观有效的系统理论。揭示材料尺寸、杂质散射、自旋迟豫、以及自旋扩散等重要因素对这些自旋依赖电子输运现象的影响，发现本质性规律，解决若干前沿实验和理论问题。此外，该项目还将致力于探索利用交变电场、旋转磁矩等调控手段，或者利用异质结构的设计，实现既有基础理论意义、又有实际应用价值的电子、自旋输运的新效应和新现象。

拓扑绝缘体和拓扑材料性质是当前凝聚态物理的重要前沿研究领域之一。该项目在这一领域开展研究，执行情况良好，按照“项目任务书”展开工作，达到预期目标。代表性成果包括：我们建立了一个外尔半金属中手性反常正磁电导率的系统理论，填补了现有理论在经典极限和量子极限之间的不连续，并预言反常正磁电导率表现出有趣的1/B周期量子振荡，可以作为实验鉴定外尔半金属材料的指纹特征。我们系统研究了磁性杂质、非磁电荷杂质、和外场耦合的杂质对拓扑绝缘体表面态结构和输运性质的影响，获得了若干有趣的结果，为通过掺杂量子调控表面态性质建议了可能的路径。建议利用拓扑绝缘体表面态自旋-动量绑定这一特性，可以将自旋偏压信号转化为电荷的信号，为自旋电子学检测自旋极化信号提供了一个新方法。该项目共发表标注基金号的SCI论文16篇，其中包括物理顶级/权威刊物Phys. Rev. Lett. 1篇，Phys. Rev. B 8篇，综合性学术刊物Sci. Rep. 4篇。研究成果得到国内、外同行研究组的关注和肯定，已经发表的16篇论文在较短时间内已经被他人引用58次。2017-2020年间，我已指导6名博士研究生获得博士学位并参加工作（邓伟胤、陈梦南、罗威、邓明勋被高校聘用，耿浩、任月皎分别被南京华为和上海华为公司聘用）。