拓撲絕緣體的一個新突破其它頭條網

2018-08-02 22:00:41 原理

我們知道，材料通常被分為

絕緣體和導體。但有一種神奇的材料，它的內部是絕緣的，界面卻是可以導電的，這種材料被稱為拓撲絕緣體。自發現以來，拓撲絕緣體一直是凝聚態物理的研究熱點。

○ 拓撲絕緣體的能帶示意圖。通常絕緣體的導帶（conduction band）與價帶（valence band）之間存在能隙，電子無法傳導，而在拓撲絕緣體的表面存在一些位於能隙間的量子態——拓撲表面態（topological surface state），允許電子傳導。| 圖片來源：Wikipedia

然而，人們一直不清楚的是，拓撲絕緣材料能否在室溫下應用於現實設備。在一項最新的研究中，來自東京理工大學電氣與電子工程系的科學家將拓撲絕緣體的研究提升到一個新的水平。

他們開發出了世界上性能最好的純自旋流（pure spin current，自旋角動量的流動形成純自旋流）源，它由鉍銻（BiSb）合金製成，被認為是拓撲絕緣體第一次應用於工業領域的最佳候選對象。這一成果標誌著自旋-軌道轉矩磁阻式隨機存儲器（SOT-MRAM）的發展前進了一大步，並有望取代現有的存儲技術。

○ MRAM磁性存儲元件示意圖。與傳統的RAM芯片技術不同，MRAM中的數據不作為電荷或電流存儲，而是由磁性存儲元件存儲。這種元件由兩個鐵磁性的板組成，中間被絕緣層分開，因而可以保持各自的磁性。一個板被設定為具有特定極性的永磁體（fixed layer），另一個板可以隨著外磁場的變化來改變磁化強度（free layer）。這種結構被稱為磁性隧穿節（ magnetic tunnel junction），是MRAM的基本結構單元。對於每個MRAM存儲元件，如果兩個板的磁性同向，對應的電阻較小，這種狀態記為“1”；如果兩個板的磁性反向，對應的電阻較大，這種狀態記為“0”。| 圖片來源：Wikipedia

Pham Nam Hai是這次研究的主要領導者，他們製備了具有拓撲絕緣性質的BiSb薄膜，這種材料同時具有顯著的自旋霍爾效應（spin Hall effect ）與良好的導電性。

○ 經典的霍爾效應是指，在外部磁場中，當電流流過導體時，導體中的自由電子會在洛倫茲力的作用下偏轉，在導體的一個面上積聚產生電壓。自旋霍爾效應不是藉助外部磁場，而是電子自旋極化（spin-polarization）在外部電流（charge current）的作用下發生偏轉，不同極化方向的自旋在材料的相反邊緣積聚，形成自旋流（spin current）。利用自旋霍爾效應的自旋-軌道轉矩（Spin-Orbit Torque，SOT）MRAM被認為是傳統的單純利用電子自旋極化的自旋傳遞轉矩（Spin-Transfer Torque，STT）MRAM的接替者。| 圖片來源：Wikipedia

他們的研究成果發表在《自然·材料》上，可能會促進應用於物聯網（IoT）的高密度、超低能耗和超快速的非易失性存儲器（當電流關掉後，存儲數據不會消失的存儲器，包括ROM、MRAM、閃存等），以及在工業和家庭方面需求日漸增加的其他應用的發展。

BiSb薄膜的自旋霍爾角θ約為52，電導率為2.5x10^5，室溫下的自旋霍爾電導率為1.3×10^7。值得注意的是，它的自旋霍爾電導率比2014年《自然》雜誌上報道的鉍硒合金（Bi2Se3）高出兩個數量級。