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物理所在退相干对量子自旋霍尔效应的影响研究

  消相干对量子自旋霍尔效应的影响研究取得新进展

  近日,中科院物理所凝聚态理论与材料计算实验室研究员谢新成,孙庆峰博士生蒋华,程曙光等在前人的基础上,进一步研究了退相干对量子自旋霍尔效应的影响。这项工作发表在[Physical Review Letter 103,036803(2009)]。拓扑绝缘子是现代凝聚态物理中的重要研究课题。从电子能带结构来看,拓扑状态不能用传统的“金属”,“绝缘体”来描述;而是一种新的物质状态。其大块电子状态是一个能够形成间隙的绝缘体状态;然而,其表面(对于三维系统)或其边缘(对于二维系统)电子态是零间隙手征金属态。由强磁场引起的量子霍尔效应是第一种被发现的拓扑孤立状态。它的发现对现代物理学产生了深远的影响,两人共四人获得诺贝尔奖。近年来,人们相继预测和实验发现,在一定条件下,若干二维或三维材料将形成新的拓扑绝缘状态。这种拓扑孤立态是由物质强烈的自旋轨道耦合引起的,不会破坏时间反演对称性,即Z2拓扑孤立态。量子自旋霍尔效应是这种绝缘子二维拓扑的最早实验验证。在量子自旋霍尔样品中,由于自旋轨道耦合强烈,载流子只能沿样品边缘传输,而对于不同的自旋载流子,其传输方向完全相反。量子自旋霍尔效应首先由宾夕法尼亚大学的Kane和Mele提出在单层石墨烯样品中。被斯坦福大学斯坦福研究小组迅速扩展到HgTe / CdTe量子阱系统,并在德国Laurens Molenkamp集团的很短时间内得到证实。在他们的实验中,他们测量了纵向阻力。在介观样品中,他们观察到一个量子化的纵向电阻平台,间接证实了量子自旋霍尔效应和拓扑性质。但量化平台只出现在中观尺度样本上,当样本量变大时,尽管平台属性可以保持,但平台的值远远偏离量化值。在第一类拓扑绝缘体(即量子霍尔效应)中,量子霍尔平台可以在宏观上观察到。在过去的五年里,研究小组对量子自旋霍尔效应和自旋电子学进行了深入的研究。并取得了一系列成果:提出了自旋流生成方法和自旋流检测方法,给出了自旋流的定义,研究了自旋霍尔效应的性质,自旋流可以产生电场,自旋轨道耦合系统存在连续自旋流等。在最近的研究中,他们认为退相干分为两类:一类是正常的退相干,其中载流子只丢失相位记忆,但保留自旋记忆,例如电子 - 电子相互作用效应,电子 - 声子相互作用等;另一个是自旋退相干,即载流子失去了相位记忆和自旋记忆,如由磁性杂质,核自旋引起的退相干等。他们的研究发现,普通的退相干对量子自旋霍尔效应几乎没有影响,但是自旋退相干影响量子自旋霍尔效应,扰乱了垂直电导的量子化。如图1所示,随着正交退相干变大,纵向电阻的量化平台几乎不变,然而,当系统具有自旋退相干时,纵向阻力强烈增加。由于实验系统中存在或多或少的自旋退相干现象,导电平台的纵向量子电导率只能在介观尺度上观察到,这是近期实验观察的一个很好的例证。此外,他们发现纵向阻力随着样品的长度线性增加,并且基本上与样品的宽度无关。这些特征与实验结果非常吻合。另外,他们还进一步引入了一个新的物理量,一个新的自旋霍尔电阻,并发现自旋霍尔电阻也可以表现出量子平台的特性。具体而言,他们的结果表明,自旋霍尔电阻量化平台对两种类型的退相干都不敏感(见图2)。也就是说,这个量化平台也可以在宏观样本中观察到,因此它可以充分体现量子自旋霍尔效应的拓扑特性。图1(a)是六端自旋霍尔器件的示意图。 (b)和(c)表示纵向电阻与有效磁场之间的关系,不同的曲线对应不同的退相干强度; (b)正常的退相干性;和(c)自旋退相干。图2:新的自旋光束电阻和有效磁场之间的关系。 (a)有一般的反褶积,和(b)回旋连贯性。不同的曲线具有不同程度的相干性。点击

  关键词:物理学

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