自旋电子光学新进展

2013年10月30日

自旋电子光学新进展

高迁移率半导体材料中电子波函数的空间分布和运行轨迹可以被栅极电压所精确调控,进而实现电子聚焦、导波、偏折等一系列类光子的控制方式。这些奇特的电子光学效应也为在固体中实现量子信息处理以及构建相干量子器件与电路提供了可能。在量子力学中,电子除了具有波长自由度之外,还具有自旋自由度。现代物理学研究也表明,电子的自旋自由度在量子信息处理等方面具有更加广阔的应用前景,从而诞生了自旋电子学这一全新的研究领域。但是,长久以来由于材料性能的限制,固体中电子的自旋自由度很难在电子光学领域被实质性地利用。

最近,低维量子物理国家重点实验室段文晖教授研究组与北京航空航天大学物理学院赵路副教授(原段文晖教授研究组博士后)合作研究发现,处于量子反常霍尔相的拓扑绝缘体磁性超薄膜可能是在固体中实现自旋极化电子光学效应的理想材料。该工作从栅控自旋相干操控这一基本想法出发,研究了磁性拓扑绝缘体超薄膜中的低能电子动力学性质。通过第一性原理计算清晰地展示了该材料中由于自旋轨道耦合以及时间反演对称性破缺所导致的自旋可分辨的拓扑能带结构。利用这一特性,该工作预言了手性电子在超薄膜中栅控p-n界面发生的量子隧穿可导致类似于光子的负双折射现象。通过精细调节栅极电压,电子束双聚焦、自旋极化的空间调制、以及量子干涉所导致的拍频模式可能被有效地操控。该项理论工作也可能为今后制备可高度集成的栅控自旋纳米结构,进而实现多种全电控制的场效应自旋电子光学器件,以及拓扑自旋电子学的广泛应用提供了可行的方案。

该研究成果以“Field-Effect Birefringent Spin Lens in Ultrathin Film of Magnetically Doped Topological Insulators”为题发表于最近出版的《物理评论快报》[Physical Review Letters 111, 116601 (2013)]。上述研究工作得到了国家自然科学基金和科技部“973”项目的资助。