Sci. Adv.：狄拉克表面狀態調制自旋動力學在室溫下的亞鐵磁絕緣體

【引言】

拓撲絕緣體是具有獨特自旋和電荷性質的量子物質的新狀態，這些性質會產生各種各樣的奇特現象，包括拓撲磁電效應、量子反常霍爾效應、圖像磁單極子等。在拓撲絕緣體中深刻影響自旋和電荷傳輸的一個顯著特征是，狄拉克表面狀態的電子將其自旋鎖定在二維的動量上。電子自旋和平移自由度之間的強耦合可以被用作操縱自旋的有效方式，反之亦然，這對于自旋電子學是必不可少的。

【成果簡介】

近日，來自加州大學的Chi Tang（通訊作者）的團隊在Science Advances發表了題為Dirac surface state–modulated spin dynamics in a ferrimagnetic insulator at room temperature的文章，這項工作證明了磁性絕緣體的自旋動力學鎖定相鄰拓撲絕緣體（TI）的自旋動量鎖定狄拉克表面狀態，可以用于自旋電子學應用。Bi濃度在5nm厚（Bi_xSb_1-x）₂Te₃拓撲絕緣體薄膜中系統地調諧，當化學勢接近狄拉克點時，表面相對于體態的重量在x = 0.32時達到峰值。此外，磁性絕緣體獲得更強的磁各向異性，這有利于具有類似Bi濃度依賴性的面內取向。狄拉克表面狀態的這些特殊效果將拓撲絕緣體與其他材料（如重金屬）區分開來，以調節相鄰磁性層的自旋動力學。

【圖文導讀】

圖1：FMR測量原理和拓撲絕緣體性能

A: YIG與拓撲絕緣體的界面磁化動力學示意圖；

B: 具有不同Bi濃度的（Bi_xSb_1-x）₂Te₃的室溫薄層電阻；

C: 異質結構的薄層電阻與溫度的關系。

圖2：具有和不具有拓撲絕緣體的YIG FMR譜圖

A: 極角的定義坐標；

B: YIG/Sb₂Te₃和YIG參考樣品在9.6 GHz頻率下的面內磁場的FMR衍射吸收光譜；

C: YIG/Sb₂Te₃和YIG參比樣品的FMR衍射吸收光譜。

圖3： FMR極角依賴擬合中提取4rzMeff

A: 樣品和YIG參考樣品的FMR共振場的依賴性；

B: 雙相依賴提取的有效各向異性場4rzMeff。

圖4： FMR線寬擬合中提取吉爾伯特阻尼

A: YIG/Sb₂Te₃的FMR透射譜；

B: 歸一化的FMR譜；

C: FMR線寬的頻率依賴性；

D:吉爾伯特阻尼常數的Bi濃度依賴性；

【小結】

該團隊觀察到在具有不同Bi/S比率的高質量YIG/TI異質結構中拓撲絕緣體薄層的自旋動量鎖定表面的YIG自旋動力學的顯著修改。拓撲絕緣體提供的自旋動量鎖定技術不僅能夠靈敏地檢測自旋電流源的磁性材料中的磁性狀態，還能以主動處理超快磁化動力學和磁各向異性以及拓撲狄克拉表面狀態的獨特性質，這為潛在的自旋電子應用提供了很好的機會。

文獻鏈接：Dirac surface state-modulated spin dynamics in a ferrimagnetic insulator at room temperature（Sci.Adv.2018, DOI: 10.1126/sciadv.aas8660）

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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