一根纳米线，登上Science！

半导体

2022-09-20

特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨爱吃带鱼的小分子（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

将相对论物理学纳入量子隧穿可以导致奇异的行为，研究通过设计和实现使用拓扑Kondo绝缘体候选六硼化钐的纳米线的隧穿几何结构，探索了自旋动量锁定的相对论费米子的隧穿特性。

Z2拓扑绝缘体(TI)的非平凡拓扑的直接结果是存在奇数个具有狄拉克色散的自旋动量锁定边界模式。当费米能量在体带隙内调整时，传输以狄拉克表面态为主，可以观察到明显的拓扑现象。这种情况下，自旋动量锁定与狄拉克色散相结合，要求沿给定方向流动的净电流必须是自旋极化的，而沿相反方向流动的电流携带相反的自旋。高自旋电荷转换效率和边界状态的拓扑保护使TI在“拓扑自旋电子学”以及控制量子位等量子技术中的具有广泛应用。TI边界模式也是探索相对论费米子独特隧道特性的理想平台。

然而在实践中，将TI用于基础研究和应用的一个重大瓶颈是：许多基于半导体的TI存在导致自掺杂的固有缺陷，这会将费米能量移动到体带中。表面态的拓扑起源仍然存在争议。

有鉴于此，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Vidya Madhavan和佛罗里达州立大学国家高磁场实验室Lin Jiao和中山大学刘飞教授等报道使用了一种独特的隧道几何形状来揭示一种独特的隧道过程（螺旋隧道）。结果表明来自SmB₆纳米线的隧穿电子是自旋极化的，自旋极化方向与隧穿方向相关。相关工作以《Spin-selective tunneling from nanowires of the candidate topological Kondo insulator SmB₆》为题在Science上发表论文。

主要结论

1. 为了确定隧道电流的自旋极化，使用基于聚焦离子束的纳米加工技术来收集SmB₆纳米线并将其连接到通常用作STM尖端的蚀刻钨线的末端，其中使用的纳米线是在硅(Si)基板上生长的，直径60-100 nm，平均长度~50 μm（图 1）。纳米线沿[001]方向生长并横向终止于高对称面。SmB₆纳米线尖端充当自旋极化电流的来源。结果发现由于矩阵元素效应，自旋平行状态之间有利于隧穿，而自旋反平行状态之间则受到抑制；

图 1. SmB₆纳米线尖端的形态、晶体结构和电子结构。

2. 对块状SmB₆的传输和光谱实验表明，随着温度的升高，SmB₆中的狄拉克表面态会衰减，并且在10-14 K左右从表面主导状态转变为体积主导状态。图2在较低温度下可以清楚地看到AFM顺序。然而，在~10 K时，AFM顺序的条纹特征消失，只留下Te晶格的原子波纹。温度依赖性表明表面态的存在与自旋极化对比度之间存在因果关系，且（i）隧道电流确实是自旋极化的，（ii）当隧道方向反转（螺旋隧道）时，自旋极化反转；

图 2. 温度依赖性显示自旋对比度减小

3. 研究发现隧道电流的自旋极化对费米能量相对于狄拉克点的位置不敏感，只取决于隧道的方向，这种自旋动量锁定狄拉克费米子的这些独特性质可直接用于在自旋电子学领域操纵自旋电流。此外，还可以在不使用外部磁场的情况下以原子分辨率检测表面或局部缺陷的磁对比。同样，也可以应用于非常规尖端的扫描探针显微镜，用于纳米级磁成像的量子材料的新兴领域。

参考文献：

AnuvaAishwarya et al. Spin-selective tunneling from nanowires of the candidate topological Kondo insulator SmB₆. Science (2022), 377：1218-1222.

DOI: 10.1126/science.abj8765

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj8765