拓扑绝缘体自旋极化精细电子结构及拓扑量子相变研究

In this project we study of spin-polarized fine electronic states and topological quantum phase transitions mechanism in topological materials ((Bi1-xInx)2Se3, and Pb1-xSnxSe single crystals and films) using spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy (SARPES) combined with molecular-beam-epitaxy (MBE) system. We will characterize energy, momentum, and spin of electrons in these materials by highly efficient multi-channels SARPES, which is based on exchange-scattering interactions and developed by ourselves. The detail electronic states of the different doping single crystals will be systematically measured to study spin properties on the bulk and surface states in the process of band inversions and phase transitions, and further to probe phase transition mechanisms. Additional，we will epitaxial grow high quality film samples to study the strength of spin-orbit coupling and the degree of spin polarizations of the surface electronic states upon the quantities of the samples layers and impurities, seeking to manipulate spin freedom in the film. The studies of fine spin-polarized electronic states and topological phase transitions mechanism are very important for artificial regulating spin properties in the materials and will promote the potential applications of topological insulators in spintronics.

本课题将利用联合分子束外延生长系统（MBE）的自旋分辨的角分辨光电子能谱（SARPES）对存在拓扑相变的(Bi1-xInx)2Se3和Pb1-xSnxSe单晶/薄膜体系自旋极化精细电子态和拓扑量子相变机制进行研究。采用自主研制的世界上首台基于交换相互作用的多通道超高效率自旋分辨的角分辨光电子谱仪对该单晶/薄膜材料电子态进行全参量表征（能量，动量，自旋）。主要研究有两方面：1）细致测量一系列不同组分单晶材料电子态变化，研究能带反转和相变过程中体态/表面态电子自旋的变化，观察体系相变过程，研究拓扑相变机制；2）生长高质量的薄膜材料，研究薄膜层数和掺杂量对自旋轨道耦合强度及表面电子态自旋极化度的影响，寻找调控薄膜电子自旋的途径。该课题研究对人工调控材料电子自旋性质有着重要意义，将推动拓扑绝缘体在自旋电子器件领域的应用。

由于拓扑材料的拓扑有序态和新奇量子现象，使得这类材料不仅具有基础物理研究意义，同时也具有潜在的应用价值。近年，拓扑材料的研究取得了飞速发展，继拓扑绝缘体之后，又发现了半金属，关联金属和超导体都具有新奇的拓扑性质。在前期对拓扑绝缘体电子态研究中，我们发现了(Bi1-xInx)2Se3材料中突发的拓扑相变行为。最近，我们利用自旋分辨的角分辨光电子能谱测量了具有超导电性的BaTi2Sb2O材料的自旋极化的电子结构，发现该材料同时具有拓扑绝缘态和拓扑半金属态属性的狄拉克电子态 [ArXiv:2009.06805 (2020)]。对其螺旋状自旋极化的表面态或其狄拉克电子体态进行调控，均可诱发出新奇量子态。另外，在不断的寻找具有特殊输运性质的新型拓扑量子材料时，我们发现不同于传统薛定谔类型抛物线电子结构，材料中的线性色散和电子平带往往会带来新奇的性质。我们在此过程中取得了一系列的重要进展：（1）首次实验观测到kagome晶格拓扑材料CoSn中“教科书式”的贯穿整个动量空间的极小带宽平带。通过对该特征进行量子调控，有望实现非常规超导等奇异行为 [Nat. Comm. 11, 4002 (2020)]；（2）实验发现拓扑半金属SrAs3中存在仅由一个节线环构成的“纯净”的狄拉克节线型电子结构。该材料为节线型费米子研究提供了关键平台 [Phys. Rev. Lett. 124, 056402 (2020)]；（3）首次在拓扑半金属TiB2中发现nodal-link型狄拉克节线型电子结构，将拓扑半金属的研究拓展到自旋轨道耦合较弱的材料中，丰富了节线型半金属的研究内容 [Phys. Rev. X 8, 031044 (2018)];（4）发现非中心对称拓扑材料IrBiSe中存在具有三维手性特征的巨大自旋劈裂。对该材料进行轻度空穴掺杂，有望实现场控自旋流，进而实现自旋电子器件 [Rapid Res. Lett. 14, 1900684 (2020)，期刊封面文章]；（5）实验提供SrCo2As2中与电子平带相关的铁磁和反铁磁涨落共存的直接证据，对该体系超导机理的研究有巨大帮助 [Phys. Rev. Lett. 122, 117204 (2019)]等。我们的研究对基础物理和推动材料的潜在应用都有重要意义。