《研究发现拓扑绝缘体中电流的高效转换机制》

  • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2021-12-29
  • 意大利国家研究委员会微电子与微系统研究所(CNR-IMM)开展了一项研究,发现在硅衬底上拓扑生长的绝缘体——碲化锑(Sb2Te3)中,纯自旋电流和“传统”电流之间的转换效率很高。相关成果发表在《Advanced Functional Materials》《Advanced Materials Interfaces》上。

    拓扑绝缘体的特点是内部不导电,而具有金属特性的电流可沿着其边缘和表面流动。在这种电流中,电子沿着确定的方向自旋。自旋电子学这一电子学分支将电子自旋视为可用于开发计算和信息存储新设备的重要资源。可以使用在拓扑绝缘体表面流动的所谓的“自旋极化”电流来操纵与其接触的材料的磁态,传输“自旋相关”的信息,提高电导率并降低能源成本。在这种情况下,优化纯自旋电流和“传统”充电电流之间的转换具有特殊的意义。

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    • 编译者:胡思思
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    • 拓扑,这个曾被视为抽象数学的概念,如今正在重塑现代电子技术的蓝图。在凝聚态物理、材料科学,信息电子学等领域,拓扑概念的引入为传统的电子器件(如二极管、自旋器件、光电转换器件等)性能的提升带来了新机遇。早在2012年,理论物理学家们就预言了可以在拓扑绝缘体表面,利用p型与n型拓扑表面态制备拓扑pn结,并在电子器件上有较高的应用价值。理论上可以通过门电压调控等手段构造拓扑pn结,这些方案在二维薄膜材料中容易实现。相比之下,三维材料更加稳定也更适合元器件的大规模集成,但是如何在三维的拓扑绝缘体表面实现二维拓扑pn结还一直没有突破。 以重费米子材料为代表的强关联电子材料可以兼具很强的电子关联效应和电子自旋-轨道耦合效应,从而形成复杂的关联拓扑物态。浙江大学物理学院关联物质研究中心致力于研究强关联电子材料体系中的新奇量子态,尤其在重费米子材料相关的研究中取得一系列重要进展。关联物质研究中心的焦琳研究员对近藤绝缘体SmB6的拓扑性质开展了多年的深入研究,并发现了其区别于弱关联拓扑绝缘体的独特性能,如体态绝缘能隙很小易于调控,表面态的态密度很高易于探测,表面态存在自旋-动量方向锁定等。基于前期的研究基础,关联物质研究中心袁辉球、焦琳研究团队与美国佛罗里达州立大学的王啸宇、熊鹏等人密切合作,首次在块体材料(SmB6)的表面实现了拓扑二极管效应,并观察到了较高的整流效应及光电转换效率。 SmB6作为强关联电子材料的代表,凭借其易调控的小能隙(仅3~5 meV)和易探测的拓扑表面态,成为研究关联拓扑绝缘体的理想实验平台。在5-15K的低温下,其表面态会经历拓扑相变并逐渐形成完整的拓扑表面态。在这段中间温度,拓扑表面态的空间不均匀性打破了镜面对称性。在足够微扰的作用下,该团队发现该材料表面可以自然形成p型与n型表面电子态,这如同在材料表面“绘制”出无数微小的二极管。也正是在这一过渡温区,该研究团队发现SmB6在射频(RF)调制下表现出明显的整流效应与光伏效应:在功率低至-20 dBm,频率在6.5 MHz左右的RF信号辐射下,可以在距离小于1mm的两个电极产生大于1微安的直流电流输出。该自生pn结的工作频率和输入功率明显低于许多其它薄膜拓扑材料。随后,佛罗里达州立大学的王啸宇博士还对由于空间上不均匀的拓扑表面态所形成的整流电流做了数值计算,取得了和实验一致的结果。上述发现表明SmB6具有较高的应用潜力,可以用来设计光电探测器或从微弱的环境热辐射中收集能量等,为自供电传感器或太空能源收集提供了新思路。另外,该发现也揭示了一种范式,即可以通过自发的空间不均匀性在强关联拓扑绝缘体表面实现并应用拓扑pn结,这一方案有望在其它拓扑绝缘体中得到进一步应用。 图注:SmB6表面拓扑二极管产生的整流效应及其微观机理
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    • 编译者:姜山
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    • 上世纪60年代,诺贝尔奖获得者Mott提出激子绝缘相,Mott提出考虑库仑屏蔽效应,在半金属体系中电子-空穴配对而形成激子,可能会导致体系失稳,从而在半金属费米面处打开能隙,形成激子绝缘体状态。但迄今为止,实验上观测激子绝缘体相是一个尚未完全解决的关键科学问题。激子绝缘体相存在及其玻色-爱因斯坦凝聚的确凿证据并不充分,主要是由于激子的寿命较短,带来观测上的困难。   InAs/GaSb半导体量子阱系统是重要的红外探测器体系,其能带结构独特,本征情况下会自发形成空间分离的二维电子气和空穴气。由于其电子、空穴的空间分离,激子寿命变长,为研究激子绝缘体提供了良好的平台。在InAs/GaSb半导体量子阱中,通过调节InAs和GaSb层厚,可使GaSb层的价带顶高于InAs层的导带底,体系中可以自发地形成局域于InAs层的电子气和局域于GaSb层的空穴气,两者在实空间分离。美国斯坦福大学张首晟研究组的理论工作证明,InAs/GaSb量子阱的基态是二维量子自旋霍尔绝缘体;美国莱斯大学/北京大学杜瑞瑞实验组在该系统中观察到拓扑边缘态的输运,并发现边缘态输运即使在强磁场下仍能保持。   如果考虑电子-空穴间的库仑作用,即当激子束缚能大于体系的杂化能隙时,理论上猜想该体系基态形成如Mott预言的激子绝缘体相甚至拓扑激子绝缘相。美国莱斯大学/北京大学杜瑞瑞实验组、美国莱斯大学大学Kono实验组和中国科学院半导体研究所常凯理论组,从实验和理论两方面研究InAs/GaSb量子阱中的激子绝缘相。研究员常凯、副研究员娄文凯构造了平行磁场下激子的多带量子多体理论模型,研究激子绝缘相的基态及其独特的色散,发现激子的基态是处于有限动量处的暗激子。在低温且低电子-空穴对密度情形下,体系打开类似BCS超导体中的能隙。通过研究激子的色散关系,提出利用太赫兹透射谱来验证激子绝缘体的存在,指出太赫兹透射谱表现为两个吸收峰,理论计算预言的吸收峰位与实验一致,为激子绝缘相光学观测提供了理论依据。   相关研究成果发表在Nature Communications上。