Para distinguir claramente as contribuições de polarização dos estados de superfície 2DEG linear e parabólico, a equipe de pesquisa do NRL selecionou dois materiais:Bi2Se3, um isolador topológico conhecido por ter estados de superfície de Dirac linear e 2DEG trivial; e InAs, um semicondutor comum que exibe apenas os estados de superfície 2DEG triviais. Estruturas de dispositivo idênticas e medições foram realizadas em cada um, conforme ilustrado na figura acima. A polarização de spin criada por uma corrente de polarização não polarizada é detectada diretamente como uma tensão (V) em um contato de barreira de túnel magnético. Crédito:Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA
Cientistas do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA (NRL) relataram a primeira comparação direta da polarização de spin gerada nos estados de Dirac topologicamente protegidos de um isolador topológico (TI) seleneto de bismuto (Bi2Se3) e o gás de elétron bidimensional trivial (2DEG) estados na superfície do arseneto de índio (InAs).
A equipe de pesquisa do NRL selecionou os dois materiais para distinguir claramente as contribuições de polarização dos estados de superfície Dirac linear e parabólico 2DEG. Estruturas de dispositivo idênticas e medições foram realizadas em cada um:Bi2Se3, um isolador topológico conhecido por ter estados de superfície de Dirac linear e 2DEG trivial; e InAs, um semicondutor comum que exibe apenas os estados de superfície 2DEG triviais.
Em cada caso, a polarização de spin é gerada espontaneamente por uma corrente de polarização não polarizada, e detectado usando contatos de metal ferromagnético com uma barreira de túnel de óxido. Os pesquisadores demonstraram que o sinal da polarização do spin dessas duas contribuições é o oposto, confirmando previsões teóricas e estabelecendo InAs como uma amostra de referência comum para experiências futuras.
A equipe também desenvolveu um modelo detalhado baseado em potenciais eletroquímicos dependentes de spin para derivar explicitamente o sinal da tensão de spin esperada para os estados de superfície TI, o que corrobora suas observações experimentais e previsões anteriores da teoria.
"Detectando esta polarização de spin diretamente como uma voltagem, e diferenciar as contribuições desses dois sistemas fundamentalmente diferentes, é a chave para compreender as propriedades básicas dos materiais de TI e fazer a interface deles com circuitos eletrônicos para futuras aplicações de dispositivos ", observa a Dra. Connie Li, autor principal do estudo. Dr. Berend Jonker, cientista sênior e investigador principal, aponta "A coexistência desses estados 2DEG em sistemas TI gerou uma controvérsia considerável no sinal da tensão de spin medida. InAs fornece um amplamente disponível, simplesmente preparou uma amostra de referência que grupos de pesquisa em todo o mundo podem usar para avaliar medições de polarização semelhantes no futuro. "
Isoladores topológicos constituem uma nova fase quântica da matéria, onde a maior parte é nominalmente um isolante, mas a camada superficial é ocupada por estados metálicos de dispersão linear povoados por férmions Dirac sem massa que são topologicamente protegidos de perturbações em seu ambiente. A existência desta classe de material foi prevista a partir do estudo da "topologia, "um ramo da matemática que descreve propriedades que só mudam passo a passo. O Prêmio Nobel de Física de 2016 foi concedido a três físicos por utilizar conceitos topológicos para estudar fases exóticas da matéria que manifestam novas propriedades quânticas que podem melhorar a eletrônica futura, supercondutores, e levar a computadores quânticos.
Uma das propriedades mais notáveis dos isoladores topológicos é a do bloqueio do momento de rotação - o spin de um elétron no estado de superfície de Dirac é bloqueado em ângulo reto com o seu momento. Consequentemente, isso implica que, quando uma corrente de carga não polarizada flui nos estados de superfície protegidos topologicamente, uma polarização de spin de elétron líquido deve aparecer espontaneamente.
O acesso elétrico a esses estados às vezes é complicado pela potencial curvatura da banda na superfície TI que pode levar ao acúmulo de carga e à formação de estados 2DEG triviais com dispersão de energia parabólica. Esses estados 2DEG se aninham e coexistem com os estados lineares de Dirac, e também pode gerar uma polarização de spin devido ao forte acoplamento spin-órbita de Rashba - uma divisão dependente do momento de bandas de spin em sistemas de matéria condensada bidimensionais. Sua textura de rotação helicoidal, ou sinal da polarização induzida, Contudo, está previsto ser oposto ao dos estados TI Dirac, e com menor magnitude.
A descoberta da equipe é um passo essencial na manipulação elétrica de spins em dispositivos quânticos baseados em acoplamento spin-orbit e TI de próxima geração.
