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中国科学院物理研究所 SC7组供稿 第9期 2014年03月26日
北京凝聚态物理国家实验室
自旋分辨光电子能谱对拓扑绝缘体中自旋-轨道锁定现象的直接验证
  拓扑绝缘体代表一种全新的量子态,具有奇特的电子结构和自旋结构。它的体态是有能隙的半导体或者绝缘体,但表面态(边缘态)则为无能隙的金属态。已有的理论和实验已经确定,拓扑绝缘体表面态电子的自旋高度极化,而且电子自旋和晶体动量锁定在一起(spin-momentum locking),形成独特的螺旋状自旋结构(helical spin texture)。拓扑绝缘体独特的电子结构和自旋结构,对决定拓扑绝缘体的奇异性质及其在自旋电子学中的可能应用具有重要意义。
  进一步的理论研究表明,拓扑绝缘体中除了自旋-动量锁定之外,还可能存在独特的自旋与轨道结构(orbital texture) 的锁定现象(spin-orbital texture)[H.J. Zhang et al., Phys. Rev. Lett. 111, 066801 (2013) ]。对这一新现象的实验证实,不仅需要能直接测量电子自旋的自旋分辨/角分辨光电子能谱实验手段,而且需要光源的偏振方向可调。此外,自旋分辨光电子能谱系统需要具有足够高的能量和动量分辨率。
  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)周兴江研究组,与理化所陈创天院士研究组及许祖彦院士研究组合作,研制成功国际首台基于真空紫外激光,同时具有自旋分辨和角分辨功能的光电子能谱系统。该系统主要性能国际领先,其自旋分辨模式下的能量分辨率最好达到了2.5meV,是目前国际上最高记录 (图1)。通过对标准样品Au(111)表面态Rashba劈裂的自旋分辨测量,显示了该真空紫外激光自旋分辨/角分辨光电子能谱系统的优越性能(图1)。
  周兴江研究组的谢卓晋同学与何少龙博士等人,利用这台新近研制的设备,在三维拓扑绝缘体Bi2Se3的研究中直接证实了自旋-轨道锁定的新现象。首先,他们采用不同偏振方式(s偏振或p偏振)的真空紫外激光对Bi2Se3拓扑绝缘体Dirac表面态的电子结构进行了测量,发现上Dirac锥和下Dirac锥的等能面谱权重分布与测量采用的光源偏振方式密切相关(图2)。对光电子能谱矩阵元效应的分析表明,在p偏振情况下测量的上、下Dirac锥的信号,主要来自pZ轨道 (图3b). 而在s偏振情况下,测量的上Dirac锥信号主要来自p轨道面内切向分量的贡献,而下Dirac锥的信号则主要来自p轨道面内径向分量的贡献(图3c)。按照自旋-轨道锁定的理论, 可以预计这些独特的轨道结构所对应的自旋结构(图3b和c)。通过采集真空紫外激光自旋分辨/角分辨光电子能谱,他们直接测量了上、下Dirac锥分别在两种不同偏振方式(s偏振和p偏振)下对应的自旋结构(图4c右侧),并且发现不同偏振方式下测量的自旋结构很不一样,特别是在s偏振情况下,发现一个非常奇特的自旋结构,即:上、下Dirac锥的自旋具有相同的手征特性。这与以往的自旋实验测量结果完全不同.。 这些实验直接测量的结果(图4),与基于自旋-轨道锁定理论所预期的结果(图3)完全吻合。
  该项工作第一次直接从实验上证实了在拓扑绝缘体中存在的自旋-轨道锁定现象,确认了强自旋-轨道耦合系统在光电发射过程中自旋守恒规则依然成立,澄清了相关的争论。它推动了对拓扑绝缘体电子自旋结构的深入研究,在实验上实现了对电子自旋方向的光致调控,对拓扑绝缘体在自旋电子学上的潜在应用有重要意义。相关工作发表在近期《自然-通讯》杂志[Z.J.Xie, S. L. He et al., Nature Communications 5 (2014)  3382 ]。此项工作得到了国家自然科学基金和科技部973计划的支持。
  相关工作链接:http://www.nature.com/ncomms/2014/140228/ncomms4382/full/ncomms4382.html
图1:自主研发的真空紫外激光自旋分辨/角分辨光电子能谱系统的优越性能。c图显示的最好自旋能量分辨率为2.5meV,为国际上迄今为止最高自旋能量分辨结果.对标准样品Au(111)表面态的Rashba劈裂测量结果,展示了系统在自旋模式下的优异动量分辨和能量分辨性能。
图2:拓扑绝缘体Bi2Se3表面态在不同偏振条件下测量的上、下Dirac锥的等能面谱重分布。上半部分(a-d)为s偏振条件下的测量结果,下半部分(e-h)为p偏振下测量的结果。
图3:拓扑绝缘体Bi2Se3表面态电子在不同偏振条件下对应的p轨道结构以及基于理论预测的相应自旋结构示意图.a为总自旋结构,即与p轨道x,y,z全部三个分量相应的总自旋结构;b为p偏振下对应的p轨道结构与相应的自旋结构;c为s偏振下对应的p轨道结构和相应的自旋结构。
图4:在s偏振和p偏振测量条件下,自旋分辨角分辨光电子能谱直接测量的Bi2Se3拓扑绝缘体表面态上、下Dirac锥电子对应的自旋结构。
下载附件>> ZJXie_PublishedVersion_ncomms4382.pdf
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