近邻效应的电子自旋耦合及弛豫研究

The final goal of this application is to understand the mechanism of unconventional superconductors and to discover room temperature quantum anomalous Hall effect systems. Through the measurements of the electron spin states on ferromagnet/superconductor, topological insulator/superconductor and Weyl semimetal/superconductor interfaces to study the coupling between the ferromagnet, topological insulator, Weyl semimetal and superconductor, and the spin relax of electrons in the superconductor, and to establish the physics foundation on the discovery of novel interface superconductor system and their applications on spintronics. Through the measurements of the electron spin state on the ferromagnet/topological insulator interface to study the coupling between ferromagnet and topological insulator and to discover the quantum anomalous Hall effect system with higher even room temperatures. Combine the advance manufacture ability of our institute, to make devices with the micro and nano scales and to do transport measurements to make a breakthrough on superconducting spintronic devices. Ferromagnet/superconductor, ferromagnet/topological insulator, topological insulator/superconductor and Weyl semimetal/superconductor heterojunctions are expected to take important roles in the superconducting spintronics. Our study is not only important for fundamental physics, but also can supply fundamental information about all measureable parameters of electron states, including energy, momentum and spin, which is important for future applications.

本申请的终极目标是理解非常规超导体的超导机理及发现室温量子反常霍尔系统。通过测量铁磁/超导、拓扑绝缘体/超导、韦尔半金属/超导异质结的自旋电子状态，研究铁磁、拓扑绝缘体和韦尔半金属态与超导态间的耦合及自旋极化的电子在超导体中的自旋弛豫过程，为构建新型界面超导体系及超导自旋电子学的应用奠定物理基础。通过测量铁磁/拓扑绝缘体异质结的自旋电子状态，研究铁磁和拓扑绝缘态间的耦合，以期发现更高温度甚至室温的量子反常霍尔体系。同时，结合微系统所国内领先的微纳加工能力，进行微纳器件的制备和电磁输运研究，争取在自旋（超导）电子学器件方面有所突破。铁磁/超导，铁磁/拓扑绝缘体，拓扑绝缘体/超导和韦尔半金属/超导异质结有望在未来自旋（超导）电子学中起重要作用，我们的研究不仅具有基础物理研究的重要意义，同时也可以为未来的实际应用提供包括自旋在内的全参量（能量、动量、自旋）电子结构信息。

本研究在新型极紫外光源、新型图像型电子自旋分析器、同步辐射线站等仪器建设方面做出了较高水平的工作。在拓扑量子材料及高温超导体的自旋分辨光电子谱研究方面取得了一些重要成果。.进行了两次图像型电子自旋分析器的升级改造，使能量分辨率从27 meV降低到10 meV之下，使高分辨多通道自旋分辨光电子谱测量成为可能。验证了基于单光子过程极紫外激光器的可行性，为提高实验室光电子谱仪性能奠定了基础。.开展了V掺杂Sb2Te3体系的时间分辨光电子谱研究，发现了交换相互作用导致的加快且不依赖费米能级的退激速度，为拓扑绝缘体的超快器件应用扫除了障碍。在β-PdBi2、HfSiS 、VSe2、CaBi2、Zr2Te2P中观察到了层锁定的电子自旋极化，并发现了电子杂化对电子自旋分布的重要影响，甚至在HfSiS中发现了第二近邻杂化对电子自旋分布的影响。通过自旋分辨光电子谱测量确认了HfSiS、CaBi2、Zr2Te2P及SnSb2Te4中电子状态的拓扑性，为在铋基超导体中寻找Majorana费米子提供了启示。在PtBi2中发现了由于Rashba和Dresselhaus型自旋轨道相互作用共同导致的3维自旋劈裂效应。在Ni纳米岛/石墨烯异质结中观测到体系从超顺磁态到铁磁态的转变， XMCD测量证实了镍纳米岛间的铁磁相互作用是由石墨烯耦合的。对典型铜基超导体BSCCO进行了自旋分辨光电子谱研究，发现了自旋轨道耦合与强电子关联之间有紧密联系的证据，为解决高温超导机理提供了重要信息。