利用真空紫外激光验证拓扑绝缘体自旋-轨道锁定现象

时间:2021-07-11 00:26 作者:亿佰体育
本文摘要:流形绝缘体代表了一种全新的量子态,具有奇特的电子结构和磁矩结构。它的状态是有能隙的半导体或绝缘体,但它的表面态(边缘态)是有弱能隙的金属态。几个理论和实验已经证实,流形绝缘体表面态电子的磁矩高度极化,电子自旋和晶体动量锁定在一起,形成独特的螺旋磁矩结构。 歧管绝缘体独特的电子结构和磁矩结构对歧管绝缘体的未知性质及其在磁矩电子学中的可能应用具有重要意义。进一步的理论研究表明,除了磁矩-动量目标外,流形绝缘体中可能不存在唯一的自旋轨道结构。

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流形绝缘体代表了一种全新的量子态,具有奇特的电子结构和磁矩结构。它的状态是有能隙的半导体或绝缘体,但它的表面态(边缘态)是有弱能隙的金属态。几个理论和实验已经证实,流形绝缘体表面态电子的磁矩高度极化,电子自旋和晶体动量锁定在一起,形成独特的螺旋磁矩结构。

歧管绝缘体独特的电子结构和磁矩结构对歧管绝缘体的未知性质及其在磁矩电子学中的可能应用具有重要意义。进一步的理论研究表明,除了磁矩-动量目标外,流形绝缘体中可能不存在唯一的自旋轨道结构。

这一新现象的实验证明,不仅要测量电子自旋的磁矩分辨/角分辨光电子能谱,还要固定光源的偏振方向。此外,磁矩分辨光电子能谱系统必须具有足够低的能量和动量分辨率。中国科学院物理研究所超导国家重点实验室周星江课题组/北京凝聚态物理国家实验室(捐赠),与中国科学院化学系技术研究所陈创天院士、徐祖炎院士合作,成功研制出世界上第一套基于真空紫外激光的光电子能谱系统,具有磁矩分辨和角度分辨功能。系统主要性能处于国际领先水平,磁矩分辨模式下最差能量分辨率超过2.5meV,是目前世界最低记录(图1)。

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标准样品金(111)的拉什巴分裂的磁矩鉴别测量显示了真空紫外激光磁矩鉴别/角度鉴别光电子能谱系统的优越性能(图1)。图1自行研制的真空紫外激光磁矩分辨/角度分辨光电子能谱系统的优越性能。

c图显示磁矩能量最差分辨率为2.5meV,是目前世界上磁矩能量最低的判别结果。标准样品金(111)表面态的拉什巴分裂测量结果表明,该系统在磁矩模式下具有良好的动量分辨和能量分辨性能。周星江课题组的谢和何利用这一新研制的设备,必须证明三维流形绝缘体Bi2Se3研究中针对磁矩轨道的新现象。

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他们首先利用不同偏振模式(s偏振或p偏振)的真空紫外激光测量了Bi2Se3流形绝缘体的Dirac表面态的电子结构,发现上Dirac锥和下Dirac锥的等电表面光谱权值与测量所用光源的偏振模式密切相关(图2)。图2在流形绝缘体Bi2Se3表面态的不同偏振条件下测得的上下狄拉克锥的等能面光谱是光。上部(a-d)是s偏振下的测量结果,下部(e-h)是p偏振下的测量结果。

光电子能谱矩阵元效应分析表明,p偏振下测得的上下狄拉克锥信号主要来自pZ轨道(图3b)。在S偏振的情况下,测得的上狄拉克锥信号主要来源于P轨道平面内切向分量的贡献,而下狄拉克锥信号主要来源于P轨道平面内径向分量的贡献(图3c)。根据磁矩轨道瞄准理论,可以预测这些独特轨道结构对应的磁矩结构(图3b和c)。

图3基于理论预测的不同极化条件和合适磁矩结构下流形绝缘体Bi2Se3表面态电子对应的P轨道结构示意图。a为总磁矩结构,即适用于P轨道X、Y、Z三个分量的总磁矩结构;b是P极化下对应的P轨道结构和合适的磁矩结构;c是对应的p轨道结构和合适的磁矩结构。


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