探测量子材料中自旋电流的新方法，有望“解锁“新一代电子器件

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近期，一种能够精确探测流经量子材料表面电子磁性与奇异行为的新方法，有望为下一代电子器件开辟新道路。

硅基半导体是现今电子器件的核心，在运作过程中依赖于受控电流，并从中获取电子电荷所携带的能量。不过，电子除了带有电荷，它还拥有一种内禀属性——自旋，即自旋角动量。自旋是量子材料的特征之一，其虽难以捉摸，但却能被调控以增强电子器件性能。

最近，由橡树岭国家实验室的 An-Ping Li 领导的一个研究团队，开发了一种新颖的显微镜技术来探测拓扑绝缘体中的电子自旋。而这些被探测的新型量子材料将可被应用于自旋电子学和量子计算等领域。

Li 说到：“自旋电流，即运动电子的总角动量，它是拓扑绝缘体中的一种行为，在未出现感应自旋的方法前，它的量一直无法被计算。”

随着电子器件的不断发展，我们需要将更多的能量存进更小的组件中去。而这就促成了我们对于更便宜、节能的新一代器件来替代充电式电子设备的需求。拓扑绝缘体的特性是其表面携带电流，而在材料体内，则表现为绝缘体。同时，当电子流过拓扑绝缘体的表面时，其自旋方向表现出一致性，而不像半导体中的电子自旋是随机取向的。

Li 补充道：“基于电荷的设备要比基于自旋的设备的能量效率低。所以自旋是有用的，我们需要去控制它们的流动与方向。”

图 | 由橡树岭国家实验室的一个研究团队开发的一种新的显微镜方法。此方法的扫描隧道显微镜（STM）具备四个可移动的探针，可感应运动电子的自旋并提供高分辨率的结果。使用这种方法，研究者观察到了电子在量子材料表面的自旋行为。

为了探测并更好地理解这种奇特的粒子行为，研究小组需要开发一种方法来感应运动电子的自旋。他们用新的显微镜方法对含有铋、碲、硒的单晶Bi₂Te₂Se（一种拓扑绝缘体）进行了测试，测量到了电子在材料表面特定点间移动产生的电压并感应到了每个电子自旋的电压。

这种新方法建立在一个四探针扫描隧道显微镜（STM）上，这种显微镜可以用四个可移动的探针来确定材料的原子活度（衰变率），而给这一设备加上一个组件后就可以观察电子在材料表面的自旋行为。这种方法除了具有自旋灵敏度测量外，它还将电流限制在了表面的一个小区域内，有助于防止电子从表面逸出，从而提供了高分辨率的结果。

Li 以共同作者的身份在《物理评论快报》(PRL) 上发表文章来解释这一方法（文章标题《Detection of the Spin-Chemical Potential in Topological Insulators Using Spin-Polarized Four-Probe STM》）。

他说道：“我们成功地检测到一个由电子自旋电流产生的电压。这项工作为拓扑绝缘体中存在自旋电流提供了明确的证据，同时为其他的量子材料（或可被用于下一代电子器件的材料）的研究工作开辟了一个新的途径。”

这项工作其他的合作者有：橡树岭实验室的 Saban Hus, Giang Nguyen, Wonhee Ko and Arthur Baddorf、佛罗里达大学的 X.-G. Zhang 以及普渡大学的 Yong Chen。这项研究在纳米材料科学中心进行，该新型显微镜方法由橡树岭国家实验室的实验室指导研究和发展项目资助。

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编辑：游弋 校审：黄珊

参考：

https://www.rdmag.com/news/2017/10/new-method-detect-spin-current-quantum-materials-unlocks-potential-alternative-electronics