拓扑绝缘体中的自旋虹吸

传统的电子设备使用线路中运动电子的电荷来完成特定的任务。这里我们要讨论的课题与上述的区别在于，在电子线路中携带信息的载体不再是电子电荷，而是电子自旋。基于电子自旋流动的器件可以提供许多潜在的新功能，当然为了真正实现上述目标，凝聚态物理学家和材料科学家仍将面临挑战。最近来自美国康奈尔大学的Mellnik等在 Nature 上撰文，报告了他们自己在新颖材料——拓扑绝缘体中所产生的自旋流，这个自旋流对于贴近的磁性薄膜中的铁磁取向可产生相当大的影响。具体说，自旋流对磁性薄膜中的磁矩施加力矩，就好像在拓扑绝缘体中产生的自旋积累，通过虹吸作用进入到了铁磁薄膜区域。这一机制将大大改进未来信息存储和处理的能效。

传统微电子器件的尺寸越来越小，从而产生了发展的瓶颈：(1)器件发热(2)为保持逻辑门的静止状态必须持续地供电，从而消耗能量。因为纯的自旋流不产生热，开发应用自旋流的器件可以解决器件发热问题。另外，为了避免上述瓶颈(2)，可以采用“不挥发”的磁性存储器与逻辑器件的结合，以至于在断电时仍能保持原来的逻辑状态。

铁磁性金属是自旋电子学的基础材料，在铁磁材料中电流自然是自旋极化的（例如，当自旋向上的电子多于自旋向下的电子，则被称为自旋极化向上）。这一性质允许铁磁体的取向状态被自旋极化的电子电流转换。在Mellnik等的实验中，Ni-Fe铁磁薄膜与Bi₂Se₃拓扑绝缘体薄膜接触在一起（见图1）。对这个双层膜通入交变电流，在拓扑绝缘体表面将产生极化自旋的积累，进而自旋积累从拓扑绝缘体扩散至铁磁体，驱动铁磁体中的磁共振；即当交变电流频率为某一适当值，铁磁体中的磁矩进动大大增强。这意味着，在拓扑绝缘体中通入交变电流，的确可以产生自旋极化的积累，而后者对铁磁层中的磁矩可以施加可控的自旋转移转矩。

在图1中带有红色箭头的小磁针代表铁磁层中的磁矩，蓝色部分代表拓扑绝缘体薄膜断面的上层表面和下层表面。事实上，在拓扑绝缘体中，输入的射频电流只沿着表面流动，因为这里的电阻小。白色的虚线箭头代表因输入交变电流而引起的特定取向的自旋积累。离拓扑绝缘体薄膜表面越远自旋积累越少，呈指数衰减趋势，这是因为拓扑绝缘体薄膜中的极化自旋扩散至铁磁层。自旋扩散导致施加一个转矩于铁磁体中的磁矩，使后者绕其平衡取向进动。

关于多层膜巨磁电阻发展的历史告诉我们，从原理发现（使用分子束外延材料）到大规模应用（使用廉价的溅射膜）仅仅用了大约10年。照此办理，拓扑绝缘体在自旋电子学中扮演角色（即，拓扑绝缘体在室温被用于布居磁性材料的磁化方向），或许也用不了很长时间。

（戴闻编译自NatureVolume:511（2014）：Pages:418 和449）

图                                                1                                                Datepublished: