拓扑狄拉克半金属材料的自旋注入和自旋输运性质研究

With the development of information technology, the computer’s "Moore's law" began to come to an end. Information storage and computing with spin of the charge is considered to be the future development direction of the information technology. Topological compounds which were caused by spin orbital coupling are new phases in condensed matter physics and have great application prospect in quantum information and quantum computing according to the theoretical and experimental results. Topological Dirac semi-metal can be considered as the three-dimensional version of graphene or surface states of topological insulator. Studying its spintronic behaviors is of much importance for applications. This project use infrared circularly polarized light to inject spin into topological Dirac semi-metal compound Cd3As2 and study the properties and physical principles in spin transport and relaxation. Moreover, the relationship between spin behavior change and phase transition will be studied by breaking the symmetry in topological Dirac semi-metal material with which topological phase transitions happens. The achievements of this project will provide theoretical and experimental foundations to quantum storage and quantum computing applications of topological Dirac semi-metal.

随着信息技术的发展，计算机的“摩尔定律”开始走到尽头，用电荷自旋来进行信息存储和计算被认为是未来信息技术的发展方向。由自旋轨道耦合导致的拓扑材料是凝聚态物理的新相，理论和实验结果表明它们在量子信息和量子计算中有巨大的应用前景。拓扑狄拉克半金属体可以看作石墨烯或者拓扑绝缘体表面态的三维版本，研究其自旋电子学行为对其应用具有十分重要意义。本项目拟使用圆偏振的红外激光对Cd3As2进行自旋注入，对自旋注入、输运和弛豫过程进行研究，揭示拓扑狄拉克半金属中自旋电子产生和运动的规律和原理。通过破坏对称性使材料发生拓扑相变，探索拓扑狄拉克半金属中自旋运动规律与拓扑属性的关联。该项目的研究将为拓扑狄拉克半金属在量子存储和量子计算等方面的应用提供理论和实验基础。

拓扑材料作为新的量子相，具有很多新奇的物理性质，在量子信息、量子计算等方面具有巨大的应用前景。对于拓扑材料的新性质的探索及应用研究，成为凝聚态物理的新的研究热点。在本项目执行期间，我们开展了拓扑材料相关的结构和输运性质研究，取得了一些研究成果。主要包括：（1）使用高压同步辐射X射线衍射的方法对Bi2Te3低温下的高压结构进行了研究，发现了其在低温下的相变压力高于室温，确认了其第I相具有超导性，同时精修了压力下的结构，得到了低温下的体弹模量。（2）对n型Bi2Te3进行了高压下的输运性质研究，发现其超导，起始超导压力为4.9GPa，通过对其压力下的载流子浓度、电阻、超导Tc等的分析，推断其第I相存在两个电子结构相比，从拓扑绝缘体到半金属再到金属。该研究进一步确认了Bi2Te3三重对称性的超导起源。以上成果均发表在SCI杂志上，本人为第一作者和通信作者。.通过本项目的研究，我们也取得了不少经验，锻炼了队伍。在项目的执行过程中与国内外多个课题组建立了长期的合作关系。项目执行期间的学术成果及相关研究经验将为今后进一步开展相关研究打下了坚实的基础，所碰到的困难和问题也为我们指明了今后努力的方向。