Твердотельные материалы условно были разделены на три различных класса, такие как проводники, полупроводники и изоляторы. Недавно был предложен и реализован новый класс материалов, называемых «топологические изоляторы», в которых изоляционные и проводящие свойства могут сосуществовать в одном и том же материале.Топологические изоляторы представляют собой изоляторы внутри объема, но проводят на своих поверхностях с меньшим сопротивлением, чем обычные материалы. Это возможно из-за их уникально сильного взаимодействия между спином электронов и орбитальным угловым моментом с их симметрией относительно обращения времени.
Взаимодействие настолько сильное, что спиновый угловой момент электронов фиксируется перпендикулярно их импульсу и генерирует спонтанный спин-поляризованный ток на поверхностях топологических изоляторов за счет приложения электрического поля.Эти спин-поляризованные проводящие электроны на поверхности не имеют массы и чрезвычайно устойчивы к большинству возмущений от дефектов или примесей, а также могут способствовать распространению бездиссипативных спиновых токов.Исследователи из Чалмерса впервые обнаружили поверхностный спиновой ток электрически на топологическом изоляторе, называемом селенидом висмута (Bi2Se3), при комнатной температуре с использованием ферромагнитных туннельных контактов. Такие контакты, как известно, очень чувствительны к спиновой поляризации и исследуют поверхность Bi2Se3 путем измерения магнитосопротивления из-за параллельного и антипараллельного выравнивания спинового тока и направления намагниченности ферромагнетика.
«Ключевыми факторами для этих результатов при комнатной температуре являются кристаллы топологического изолятора хорошего качества и спин-чувствительные ферромагнитные туннельные контакты, тщательно подготовленные нано-производством в чистых помещениях», — объясняет д-р Андре Данкерт, ведущий автор статьи.Более ранние отчеты в этой области исследований ограничивались только измерениями при криогенных температурах. Из результатов по величине спинового сигнала, его знаку и контрольных экспериментов с использованием различных конфигураций измерения, углов и условий границы раздела автор исключает другие известные физические эффекты.«Наши результаты показывают электрическую доступность спиновых токов на поверхностях топологических изоляторов вплоть до комнатной температуры и открывают путь для дальнейших разработок, которые могут быть полезны для обработки спиновой информации в будущем», — говорит доцент Сародж Даш, возглавляющий исследование. группа.
Однако Сародж Даш предупреждает, что исследования по разработке материалов и методов измерения нового класса все еще находятся на начальной стадии, и для дальнейшего понимания необходимы дополнительные эксперименты.