磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜中基于电场效应的自旋调控研究

Due to the interplay between strong spin-orbit coupling and time-reversal symmetry breaking, the thin films of magnetically doped topological insulators (TIs) exhibit spin-resolved topological band structures. The successful preparation of such thin films in experiments also offers us realistic platform to design and fabricate functional nanostructures and devices for spintronic applications. In this project, we plan to systematically investigate the electronic properties of field-effect-induced nanostructures in the thin films of magnetically doped TIs, where novel behaviors of spin-resolved Dirac fermions could be found in the nanostructures under electric field. In details, several theoretical models including quantum barrier, quantum wires, and quantum dots, will be set up and studied. We will try to explore exotic quantum phenomena associated with the electric field effect and the structural features, reveal the transport, confinement, and coupling properties in the nanostructures, characterize different spin-based manipulation methods, and consider the analogy to the control of spin-polarized photons in optics. Our findings may provide some fundamental guidelines for the realization of all-electrical-controlled spintronic devices in the thin films.

由于磁性掺杂拓扑绝缘体(TI)薄膜中的强自旋轨道耦合和时间反演对称性破缺的共同作用，该类薄膜具有自旋劈裂的拓扑能带结构。磁性掺杂TI薄膜在实验中的成功制备也为进一步研究材料的自旋电子学应用，进而设计与实现实用化的自旋器件铺平了道路。本项目拟针对磁性掺杂TI薄膜材料中场效应纳米结构的电子性质进行较为系统的理论研究，致力于发现该类薄膜材料中自旋可分辨的狄拉克费米子在场效应调控下的独特行为。针对具体的模型，包括量子势垒、量子线、以及量子点等结构，探索其中电场效应及结构特性可能导致的新颖量子现象，揭示自旋可分辨的狄拉克费米子在纳米结构中输运、限制及耦合的特点，表征各种结构中的不同自旋调控方式, 并考虑与光学中极化光子的控制进行类比研究，为在薄膜中制备实用的场效应自旋电子学器件提供理论基础。

本项目基于电子学与光子学的交叉与类比这一基本理念，研究了新型量子材料中与电子和光子自旋及轨道自由度相关的物理性质与调控方法。拓扑材料中的强自旋轨道耦合效应可以产生拓扑保护的狄拉克表面态，其电子性质已经得到了广泛的研究。作为本项目的工作之一，我们研究了狄拉克表面态与光场的相互作用情况。由于拓扑材料特有的表面金属态包裹体绝缘体态的性质，我们可以利用核-壳模型对其表面纳米周期性结构中的等离激元性质加以研究。我们发现在拓扑晶体绝缘体碲化锡纳米光栅结构中的等离激元共振主要存在于可见-近红外波段，这一点完全不同于普通金属纳米粒子中可见光波段的等离激元共振。通过变化光栅的高度，等离激元共振波长会发生周期性的移动，从而被有效调制。这种对等离激元的调控方法可能被应用于等离激元纳米器件以及集成光电子线路等方面。其次，我们将电子自旋调控的思想类比到光子控制领域。考虑了在量子相干介质中全光产生周期性微结构的方法，并用该全光光栅结构获得与光子自旋极化态相关的空间多束劈裂。该类结构的主要优势在于可以在介质中实现光子不同自旋极化态之间的完全退耦合，从而独立操控各个自旋极化态。利用这一性质可以产生具有高衍射效率的一维和二维自旋极化光栅结构。全光自旋极化敏感的器件可能显著提升全光空间复用、互联、网络的可调节性与信息容量。另外，拓扑材料中的强自旋轨道耦合效应可以导致许多新奇的现象，这也启发我们自旋轨道耦合也可能为光子操控提供新的机制。因此，我们研究了量子相干性对光场自旋轨道耦合的影响。由于相干介质中的极慢群速及其横向梯度可以显著增强光场的自旋轨道耦合强度，旋子图像中取向相反的自旋态波函数的空间简并可以被消除，从而在实空间中产生可观测的自旋态分裂。因此，旋子图像的傍轴传播可以模拟由泡利方程描述的自旋1/2量子谐振子的精细结构劈裂。这一发现为以全光方式对自旋轨道物理现象进行直接操控与可视化提供了可能。