Only Perception: 觀察、控制特異材料表面之電子自旋的方法

2011-12-30

觀察、控制特異材料表面之電子自旋的方法

Researchers find way to observe, control the way electrons spin on the surface of exotic new materials
http://www.physorg.com/news/2011-12-electrons-surface-exotic-materials.html

By David L. Chandler, December 5, 2011

稱為「拓樸絕緣體（topological insulators）」的特異材料，被發現不到幾年，就已透露一些秘密給一個 MIT 研究團隊。該團隊率先證明，在這種材料表面流動的電子的自旋資訊可利用光來獲得，他們甚至發現一種方法，透過改變光源的偏振，來控制這些電子的運動。

這些材料為基於自旋電子學的新型裝置開啟了可能性。其所用的是一種稱為自旋的電子特性，而不是像一般電子裝置那樣使用它們的電荷。那也允許對現有技術（例如磁性資料儲存）進行更快速的控制。

拓樸絕緣體是一些呈現出反常特性的材料。一塊三維的材料，表現就如同傳統的絕緣體（如石英或玻璃），那阻止電流的移動。然而，該材料的外表層卻像是一種非常優良的導體，可讓電流自由地流動。

要理解任何固態材料特性的關鍵在於分析材料內部的電子行為 -- 尤其是測定這些電子可能會出現什麼樣的能量、動量與自旋的組合，MIT 物理學助理教授 Nuh Gedik 表示，最近二篇描述這些新發的論文的資深作者。這一組組合決定了一種材料的關鍵特性 -- 例如，那是否為金屬，或著那是否透明。"那非常重要，不過要測量確非常具有挑戰性，" Gedik 表示。

傳統的測量方法是在一塊固態材料上照光：光會將固體的電子踢出，一旦它們被轟出來，就能夠測得其能量、動量與自旋。Gedik 表示，挑戰在於這種測量只能給你特定點的資料。為了要填滿這個地景中額外的點，傳統方式是稍微旋轉此材料，然後進行另一次讀取，然後再旋轉、再讀取 -- 一種非常緩慢的過程。

Gedik 以及他的團隊，包括畢業生 Yihua Wang 以及 James McIver，MIT 博士後 David Hsieh，則設計出一種方法，一次就能對電子能量、動量與自旋進行詳盡的三維測繪。他們利用短暫、強烈的圓偏振雷射光脈衝辦到這件事，其傳播時間可精確地被量測出來。

Wang 表示，透過這種新技術，MIT 研究者能獲得「朝各種不同方向行進且具不同動量的電子」其自旋與運動有何關係的圖像，那利用其他方法只能獲得片段時間。在一篇出現在 11/11 Physical Review Letters 期刊的論文中（http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.207602），Gedik 以及他的團隊描述這種方法。

除了展示這種新奇方法並證明其效用外，Gedik 表示，"我們學到一些意料之外的事。" 他們發現，自旋方向並非精確地與電子運動方向垂直，當電子以較高的能量運動時，會產生非預期的傾斜 -- 預期準直的一種偏差（a sort of warping of the expected alignment）。Gedik 表示，當這些材料被用於新技術時，理解這種歪曲將十分重要。

研究者表示，該團隊高速測量電子運動及自旋的方法並不僅限於研究拓樸絕緣體，在磁鐵以及超導體等材料的研究中也有所應用。

在電子流經這些材料表面的方式中，有一種不尋常的特性：此即，不像一般的金屬導體，這些材料裡的雜質對整體電導率的影響程度不高。在絕大多數的金屬中，雜質使導電率快速降低，因此阻礙電的流動。這種對於雜質的相對不敏感（imperviousness）將使得拓樸絕緣體成為某些電子應用裡的重要新材料，儘管這些材料太新了，絕大部分的重要應用都仍未預見。一種可能性是，它們可以在一般金屬會過熱（因為雜質的阻礙效應）且危及材料本身的情況下，用來輸送電流。

在第二篇論文（http://arxiv.org/pdf/1111.3694）中（出現在今日的 Nature Nanotechnology 期刊上）， Gedik 與他的團隊證明，一種類似他們用來測繪電子態的方法，也能夠用來控制電子在這些材料表面上的流動。那有效是因為電子的自旋方向總是近乎垂直於它們的移動方向，不過也只有朝某一特定方向自旋的電子會受到給定的圓偏振雷射光束的影響。因此，光束能用來推開所有朝某一方向流動的電子，留下朝其他方向流動的有用電流。

"這有非常立即的裝置可能性，" Gedik 表示，因為那允許電流的流動完全受到雷射光束的控制，且沒有直接的電子交互作用。可能的應用會是一種新的電磁儲存（例如用於 PC 中的硬碟），那現在使用電流將每一個儲存好的位元從 0 「翻轉」到 1 ，反之亦然。能以光控制這些位元將使反應時間更迅速，該團隊表示。

電子行為的駕馭也許會成為一種技術關鍵，那將導致自旋電子電路的創造，利用電子的自旋而非它們的電荷來乘載資訊。處此之外，這樣的裝置在新量子運算系統的創造上也會是重要的一部份。許多研究者認為，那種系統在某些高度複雜問題的解決上會明顯勝過一般電腦。

史丹佛大學的物理學教授 Zhi-Xun Shen（未涉入這項研究）表示，MIT 團隊利用他們新奇的實驗方法，證實了拓撲表面的理論化結構。除了證實這件事之外，他表示，他們的第二篇論文是雷射與表面電流之間 "迄今最直接的光耦合（optical coupling）實驗證據之一，" 也因而 "在光--自旋電子學中具有吸引人的潛力。"

※ 相關報導：

＊ Observation of a Warped Helical Spin Texture in Bi2Se3 from Circular Dichroism Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.207602

Y. H. Wang, D. Hsieh, D. Pilon, L. Fu, D. R. Gardner,
Y. S. Lee, and N. Gedik
Phys. Rev. Lett. 107, 207602 (2011) [5 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.107.207602

＊ Control over topological insulator photocurrents with light polarization
http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2011.214