Forskare vid US Naval Research Laboratory (NRL) har rapporterat den första direkta jämförelsen av spinpolarisationen som genereras i de topologiskt skyddade Dirac-tillstånden av en topologisk isolator (TI) vismutselenid (Bi2Se3) och den triviala 2-dimensionella elektrongasen (2DEG) tillstånd vid ytan av indiumarsenid (InAs).

NRL-forskargruppen valde de två materialen för att tydligt skilja polarisationsbidragen från de linjära Dirac- och paraboliska 2DEG-yttillstånden. Identiska enhetsstrukturer och mätningar utfördes på var och en:Bi2Se3, en topologisk isolator som är känd för att ha både linjära Dirac och triviala 2DEG yttillstånd; och InAs, en vanlig halvledare som endast uppvisar de triviala 2DEG yttillstånden.

I varje fall, spinnpolarisationen genereras spontant av en opolariserad förspänningsström, och detekteras med användning av ferromagnetiska metallkontakter med en oxidtunnelbarriär. Forskarna visade att tecknet på spinpolarisationen från dessa två bidrag är motsatt, bekräfta teoretiska förutsägelser och etablera InAs som ett gemensamt referensprov för framtida experiment.

Teamet utvecklade också en detaljerad modell baserad på spinnberoende elektrokemiska potentialer för att explicit härleda tecknet på spinspänningen som förväntas för TI-yttillstånden, vilket bekräftar deras experimentella observationer och tidigare teoriförutsägelser.

"Att detektera denna spinnpolarisation direkt som en spänning, och särskilja bidragen från dessa två fundamentalt olika system, är nyckeln till att förstå de grundläggande egenskaperna hos TI-material och koppla dem till elektroniska kretsar för framtida enhetstillämpningar", säger Dr. Connie Li, huvudförfattare till studien. Dr Berend Jonker, senior vetenskapsman och huvudforskare, påpekar "Samexistensen av dessa 2DEG-tillstånd i TI-system har genererat avsevärda kontroverser i tecken på spinspänning uppmätt. InAs tillhandahåller en allmänt tillgänglig, helt enkelt förberett referensprov som forskargrupper runt om i världen kan använda för att jämföra liknande polarisationsmätningar i framtiden."

Topologiska isolatorer utgör en ny kvantfas av materia där huvuddelen nominellt är en isolator, men ytskiktet är upptaget av linjärt spridda metalliska tillstånd befolkade av masslösa Dirac-fermioner som är topologiskt skyddade från störningar i sin miljö. Förekomsten av denna klass av material förutspåddes från studiet av "topologi, " en gren av matematiken som beskriver egenskaper som bara förändras stegvis. 2016 års Nobelpris i fysik tilldelades tre fysiker för att ha använt topologiska begrepp för att studera exotiska faser av materia som visar nya kvantegenskaper som kan förbättra framtida elektronik, supraledare, och leda till kvantdatorer.

En av de mest slående egenskaperna hos topologiska isolatorer är spin-momentum-låsningen - spinn av en elektron i TI Dirac yttillstånd är låst i rät vinkel mot dess momentum. Detta innebär följaktligen att när en opolariserad laddningsström flyter i de topologiskt skyddade yttillstånden, en nettoelektronspinnpolarisering bör spontant uppstå.

Elektrisk åtkomst till dessa tillstånd kompliceras ibland av potentiell bandböjning vid TI-ytan som kan leda till laddningsackumulering och bildning av triviala 2DEG-tillstånd med parabolisk energidispersion. Dessa 2DEG-tillstånd häckar inom och samexisterar med de linjära Dirac-tillstånden, och kan också generera en spinnpolarisation på grund av stark Rashba spin-omloppskoppling - en momentumberoende uppdelning av spinnband i tvådimensionella system av kondenserad materia. Deras spiralformade textur, eller tecken på den inducerade polarisationen, dock, förutspås vara motsatt den i TI Dirac-staterna, och med mindre magnitud.

Teamets upptäckt är ett viktigt steg i den elektriska manipulationen av spins i nästa generations TI och spin-orbit kopplingsbaserade kvantenheter.