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科学家们通过实验证明SmB6是一种拓扑绝缘体

2018-05-17
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国际科学家小组首次实验证明,SmB6确实是一种拓扑绝缘体。 /

自旋电子学是一个新兴的电子学领域,其中器件通过操纵电子的自旋而不是其运动产生的电流来工作。该领域可为计算机技术提供显着的优势。控制电子自旋可以通过称为“拓扑绝缘体”的材料来实现,该材料仅在其表面上传导电子,而不在其内部传导电子。一种这样的材料,六硼化钐(SmB6),早已被理论化为理想和稳健的拓扑绝缘体,但这从未被实际证明。来自Paul Scherrer研究所,IOP(中国科学院)和Hugo Dil在EPFL的团队的科学家在自然通信出版社首次实验证明SmB6确实是一种拓扑绝缘体。

未来的电子技术可以利用称为自旋的电子的固有属性,这就是它们的磁性特性。自旋可以采取两种可能的状态:“向上”或“向下”,它们可以分别描绘为电子围绕其轴的顺时针或逆时针旋转。

自旋控制可以用称为拓扑绝缘体的材料来实现,它可以以100%的效率在其表面上传导自旋极化电子,而内部则起绝缘体的作用。

然而,拓扑绝缘体仍处于实验阶段。一种特殊的绝缘体,六硼化钐(SmB6),引起了极大的兴趣。与其他拓扑绝缘体不同,SmB6的绝缘特性基于称为“Kondo效应”的特殊现象。 Kondo效应可防止电子的流动被材料结构中的不规则性破坏,从而使SmB6成为一种非常稳健和高效的拓朴“Kondo”绝缘体。

来自Paul Scherrer Institute(PSI),中国科学院物理研究所和Hugo Dil在EPFL的团队的科学家们现在已经通过实验证明六硼化钐(SmB6)是第一个拓扑Kondo绝缘体。在PSI进行的实验中,研究人员用一种称为'同步辐射'的特殊类型的光照亮了SmB6的样品。这种光的能量被转移到SmB6中的电子上,导致它们从中弹出。用探测器测量弹射电子的特性(包括自旋),这提供了关于电子如何仍然在SmB6表面上的行为的线索。数据显示与拓扑绝缘体的预测一致。

“SmB6是一种拓扑Kondo绝缘体的唯一真实验证来自直接测量电子自旋以及Kondo绝缘体如何受到影响”,Hugo Dil说。虽然SmB6仅在极低温度下才显示出绝缘性能,但这些实验提供了原理证明,更重要的是,Kondo拓扑绝缘体实际上存在,为进入新技术时代提供了令人兴奋的垫脚石。

这项工作代表了EPFL的凝聚态物理研究所与Paul Scherrer研究所,SwissFEL和开发与方法实验室的合作;苏黎世大学物理研究所; ETH苏黎世固体物理实验室;北京凝聚态物理国家实验室;中国科学院物理研究所; IFW德累斯顿固态研究所;和北京量子物质协同创新中心。该项目和实验工作由PSI与EPFL直接合作发起和推动。

出版物:N. Xu等人,“直接观察SmB6中的自旋结构作为拓扑Kondo绝缘体的证据”,Nature Communications 5,Article number:4566; DOI:10.1038 / ncomms5566

资料来源:瑞士洛桑联邦理工学院(Ecole PolytechniqueFédéralede Lausanne)

图像:洛桑联邦理工学院洛桑分校