在三维拓扑绝缘体BiSbTeSe2中通过非局部电学方法检测自旋极化表面电流

《physica status solidi (b)–– basic solid state physics》：Nonlocal Electrical Detection of Spin-Polarized Surface Currents in the 3D Topological Insulator BiSbTeSe2

拓扑绝缘体BiSbTeSe?的表面态通过非局部（NL）和局部（L）电测配置研究。实验发现NL配置的信号背景比显著更高，且NL信号在20 K附近消失，归因于温度激活的体态与表面态相互作用缩短NL电流路径。L信号在45 K仍存在，显示不同传输机制。温度升高导致NL信号更快衰减，可能与体态电荷跳跃相关。优化隧穿 barrier 将接触电阻面积积降至20-30 kΩ·μm2，提升自旋探测效率。研究揭示了NL探测可分离表面态与体态贡献，为拓扑绝缘体自旋电子器件设计提供新方法。

　　本研究探讨了三维拓扑绝缘体（Topological Insulators, TIs）中独特的自旋极化表面态在不同电传输测量配置下的表现。研究对象为通过机械剥离法制备的BiSbTeSe?（BSTS）薄片，使用了具有自旋敏感性的铁磁电极（如Co/Al?O?）进行测量。通过非局部（Nonlocal, NL）电传输测量方法，研究人员发现这些表面态在电学特性上具有显著的差异，从而揭示了其在自旋电子学中的重要潜力。研究还指出，在局部（Local, L）测量中，自旋信号通常被背景信号所掩盖，而NL测量则能更有效地分离自旋信号与背景信号，显示出更高的自旋信号与背景信号比例。

在拓扑绝缘体中，自旋-动量锁定（Spin-Momentum Locking）是其表面态的一个关键特征，意味着电子的自旋方向与其动量方向严格相关。这种特性使得表面态在磁场作用下表现出特殊的输运行为，例如弱反局域化（Weak Antilocalization, WAL）。WAL现象是拓扑绝缘体表面态的重要标志，它反映了强自旋轨道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）的存在。在实验中，研究人员利用Hikami-Larkin-Nagaoka模型对WAL曲线进行了拟合，并从中提取了约240纳米的相位相干长度。这一结果表明，BSTS薄片的表面态在低温下具有较长的相干长度，从而支持了其作为自旋电子学材料的可行性。

为了更深入地研究这些表面态的自旋极化特性，研究人员设计了两种测量配置：一种是传统的局部测量，另一种是非局部测量。在局部测量中，电流直接从源极（Source, S）流经薄片，再通过漏极（Drain, D）流出，此时自旋信号容易受到背景信号的干扰。而在非局部测量中，电流路径被设计为从源极出发，流经整个表面，再从另一侧的漏极返回，形成一个绕过薄片内部的非局部传输通道。这种配置的优势在于，它能够减少电流在薄片内部的散射效应，从而更清晰地检测到表面态的自旋极化特性。

实验结果显示，在非局部测量中，自旋信号与背景信号的比例显著高于局部测量。在局部测量中，背景信号通常比自旋信号大两个到三个数量级，这使得自旋信号难以被有效提取。而在非局部测量中，这一比例接近两个数量级，表明非局部配置在自旋检测方面具有更高的灵敏度。这种差异可能源于非局部测量中表面态的传输路径更为直接，从而减少了来自薄片内部的干扰。相比之下，局部测量中的电流路径更复杂，可能涉及薄片内部的杂质态或缺陷态，这些状态会引入额外的背景信号，掩盖了自旋信号。

进一步的温度依赖性研究揭示了非局部与局部自旋信号之间的显著差异。随着温度升高，非局部自旋信号迅速减弱，并在约16 K时几乎完全消失，而局部自旋信号则在45 K时仍能被检测到。这一现象可能与温度激活的跃迁输运机制有关，尤其是在非局部传输路径中，温度升高会促进电流在薄片内部的跳跃，从而缩短了表面传输路径的长度。由于传输路径的缩短，非局部自旋信号在较高温度下被显著抑制，而局部自旋信号则可能由于表面态的持续存在而维持更长时间。

研究人员指出，BSTS薄片的自旋信号在非局部测量中表现出更高的信噪比，这可能与所使用的铁磁电极有关。传统的自旋检测方法通常使用非磁性参考电极，而本研究中的所有电极均采用铁磁材料，这可能提高了自旋注入和检测的效率。此外，BSTS薄片的表面态虽然具有自旋极化特性，但并非完全极化，其自旋极化程度可能受到自旋轨道相互作用和表面态在次表面层的渗透等因素的影响。因此，在非局部测量中，铁磁电极的使用可能有助于增强表面态的自旋信号，从而提升整体的检测效果。

实验还发现，自旋信号的极性在非局部与局部测量中会发生变化。这种极性反转可能与电流路径的方向有关。在非局部测量中，电流从源极流向薄片的另一侧，再通过漏极返回，这种路径的变化可能导致自旋信号的极性反转。而在局部测量中，电流路径相对固定，因此自旋信号的极性通常保持不变。这一现象表明，非局部测量能够更全面地探测表面态的自旋极化特性，因为它允许研究人员观察到不同方向的电流对自旋信号的影响。

此外，研究还探讨了背景信号的温度依赖性。在非局部测量中，背景信号随着温度升高而单调下降，并在约16 K时消失，而局部测量中的背景信号则表现出先降低后上升的趋势。这种差异可能与薄片内部的杂质态和缺陷态在不同温度下的行为有关。在低温下，这些杂质态可能处于离散的能级，从而对电流的传输产生较大的影响。而在较高温度下，这些态可能通过跃迁机制耦合，导致背景信号的增强。这种背景信号的增强可能进一步抑制了非局部自旋信号的检测，从而影响实验结果的准确性。

本研究的结论表明，非局部测量是一种有效的方法，能够揭示拓扑绝缘体表面态的自旋极化特性。在低温条件下，表面态的自旋极化信号在非局部测量中表现得更为显著，而随着温度升高，由于薄片内部杂质态和缺陷态的激活，非局部信号逐渐减弱。这说明在设计自旋电子学器件时，必须考虑到不同温度下材料内部的输运机制，以确保自旋信号的准确检测。同时，研究也指出，局部测量中自旋信号的低信噪比可能是由于未被充分理解的机制所导致，因此需要进一步的研究来揭示其根源。

总体而言，本研究通过结合非局部和局部电传输测量，揭示了拓扑绝缘体表面态在不同测量配置下的自旋极化特性。非局部测量不仅能够更清晰地分离自旋信号与背景信号，还能够更全面地探测表面态的输运行为。这一发现为未来自旋电子学器件的设计和优化提供了重要的理论依据和实验支持。此外，研究还强调了在低温下进行非局部测量的重要性，因为此时表面态的自旋极化信号最为显著，而薄片内部的杂质态和缺陷态对信号的干扰最小。这表明，在探索拓扑绝缘体的自旋输运特性时，非局部测量是一种更为可靠和有效的手段。