Sci. Adv.：狄拉克表面状态调制自旋动力学在室温下的亚铁磁绝缘体

【引言】

拓扑绝缘体是具有独特自旋和电荷性质的量子物质的新状态，这些性质会产生各种各样的奇特现象，包括拓扑磁电效应、量子反常霍尔效应、图像磁单极子等。在拓扑绝缘体中深刻影响自旋和电荷传输的一个显着特征是，狄拉克表面状态的电子将其自旋锁定在二维的动量上。电子自旋和平移自由度之间的强耦合可以被用作操纵自旋的有效方式，反之亦然，这对于自旋电子学是必不可少的。

【成果简介】

近日，来自加州大学的Chi Tang（通讯作者）的团队在Science Advances发表了题为Dirac surface state–modulated spin dynamics in a ferrimagnetic insulator at room temperature的文章，这项工作证明了磁性绝缘体的自旋动力学锁定相邻拓扑绝缘体（TI）的自旋动量锁定狄拉克表面状态，可以用于自旋电子学应用。Bi浓度在5nm厚（Bi_xSb_1-x）₂Te₃拓扑绝缘体薄膜中系统地调谐，当化学势接近狄拉克点时，表面相对于体态的重量在x = 0.32时达到峰值。此外，磁性绝缘体获得更强的磁各向异性，这有利于具有类似Bi浓度依赖性的面内取向。狄拉克表面状态的这些特殊效果将拓扑绝缘体与其他材料（如重金属）区分开来，以调节相邻磁性层的自旋动力学。

【图文导读】

图1：FMR测量原理和拓扑绝缘体性能

A: YIG与拓扑绝缘体的界面磁化动力学示意图；

B: 具有不同Bi浓度的（Bi_xSb_1-x）₂Te₃的室温薄层电阻；

C: 异质结构的薄层电阻与温度的关系。

图2：具有和不具有拓扑绝缘体的YIG FMR谱图

A: 极角的定义坐标；

B: YIG/Sb₂Te₃和YIG参考样品在9.6 GHz频率下的面内磁场的FMR衍射吸收光谱；

C: YIG/Sb₂Te₃和YIG参比样品的FMR衍射吸收光谱。

图3： FMR极角依赖拟合中提取4rzMeff

A: 样品和YIG参考样品的FMR共振场的依赖性；

B: 双相依赖提取的有效各向异性场4rzMeff。

图4： FMR线宽拟合中提取吉尔伯特阻尼

A: YIG/Sb₂Te₃的FMR透射谱；

B: 归一化的FMR谱；

C: FMR线宽的频率依赖性；

D:吉尔伯特阻尼常数的Bi浓度依赖性；

【小结】

该团队观察到在具有不同Bi/S比率的高质量YIG/TI异质结构中拓扑绝缘体薄层的自旋动量锁定表面的YIG自旋动力学的显着修改。拓扑绝缘体提供的自旋动量锁定技术不仅能够灵敏地检测自旋电流源的磁性材料中的磁性状态，还能以主动处理超快磁化动力学和磁各向异性以及拓扑狄克拉表面状态的独特性质，这为潜在的自旋电子应用提供了很好的机会。

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

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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