拓扑绝缘体中自旋极化表面态的自旋动力学研究

Implementing topological insulators in spintronics is one of the most exciting topics in condensed matter physics community. This is largely triggered by the strong spin-orbit interaction that results in spin-polarized surface states, which consequently promise an efficient spin-charge interconversion and hence potential application in low-power consumption spintronic devices. In this proposal, based on ferromagnetic insulators /topological insulators (YIG/Bi2Se3) heterostructures, we will study the spin dynamic of topological surface states by using spin pumping effect. Specifically, the modulation of spin dynamic of topological surface state by varying the thickness of Bi2Se3 and the underlying magnetic properties of magnetic insulator, and external electrical fields that tune the fermi level will be examined. It is expected that a successful completion of this proposal could pave the pathway towards functional spin storage and spin logic devices based on topological insulators.

拓扑绝缘体材料在自旋电子学领域内的相关应用是当下凝聚态物理的一个热点。起源于极强的自旋轨道耦合作用，拓扑绝缘体具有自旋极化的拓扑表面态。而拓扑表面态导致的自旋-电荷高效转化这一特性，为低能耗电控磁以及可编程自旋器件提供了一个解决方案。本项目将以磁性绝缘体/拓扑绝缘体(YIG/Bi2Se3)异质结为研究对象，以自旋泵浦效应为表征手段，对拓扑表面态的自旋动力学特性进行系统研究。通过控制Bi2Se3的厚度来调控表面态在拓扑绝缘体中的比例、控制磁性绝缘体的生长方向以及厚度，利用外电场调节费米面，将实现对拓扑表面态自旋动力学特性的调控。本项目的顺利实施将为基于拓扑绝缘体的自旋存储和逻辑器件的发展奠定一定基础。

探索高效率、低能耗、可调控的自旋驱动磁化强度翻转的材料体系是实现自旋逻辑器件的基础。拓扑绝缘体的拓扑表面态能高效地产生自旋流。亚铁磁绝缘体-稀土铁石榴石具有低饱和磁化强度和较小的有效阻尼，其磁化强度易于被自旋轨道矩翻转。因此，理论上具有垂直各项异性的稀土铁石榴石/拓扑绝缘体异质结是绝佳的研究自旋电子学的材料体系。本项目的目标是以稀土铁石榴石/拓扑绝缘体(ReIG/Bi2Se3)异质结为研究对象，对拓扑表面态的自旋动力学特性进行表征，并实现对拓扑表面态自旋动力学特性的调控。基于此，本项目主要完成了以下研究工作：.1).优化亚铁磁绝缘体-稀土铁石榴石（ReIG）薄膜的生长条件，制备出具有垂直各向异性且表面平整的单晶ReIG薄膜（Re分别为 Gd、Eu、Ho、Tb和Dy），并对其磁性进行系统地表征。通过调控退火时间和改变衬底可以调控稀土铁石榴石的垂直各向异性。.2).系统地研究GdIG/Pt异质结中自旋动力学特性：(a)利用自旋泵浦效应，定量表征了有效阻尼和自旋霍尔角； (b)观测到零磁场下自旋轨道矩驱动磁化强度翻转；(c)研究了Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)的来源，探索GdIG厚度和温度对DMI和自旋力轨道矩效率的调控。理论上，这些规律也适用于稀土铁石榴石/拓扑绝缘体异质结。.3).GdIG/Pt异质结中自旋结构的动力学特性研究：(a) 实现了电流驱动的畴壁运动，室温下获得至今最高畴壁运动速度6000 m/s，畴壁运动速度受温度的调节，在角动量补偿温度下，畴壁运动速度最大；(b) 外延生长稀土铁石榴石多层膜，在(GdIG/TmIG/DyIG)n多层膜中观测到磁斯格明子，自旋轨道矩驱动的斯格明子的运动速度为60 m/s。.4).探索利用分子数外延系统生长拓扑绝缘体Bi2Se3的条件，制备出磁性绝缘体/拓扑绝缘体(ReIG/Bi2Se3)异质结。自旋动力学的表征结果显示，磁性绝缘体/拓扑绝缘体界面处的非晶拓扑绝缘体抑制了自旋的输运，没有观测到自旋输运信号。.5).为进一步研究拓扑绝缘体的拓扑表面态的自旋动力学特性及其电学调控，制备了Cr掺杂拓扑绝缘体/拓扑绝缘体异质结，实现了低密度电流驱动磁化强度翻转以及电场对拓扑绝缘体中自旋输运的调控。.本项目的工作结果为磁性绝缘体和拓扑绝缘体在自旋电子学的应用奠定了基础。