通过铁电拓扑开关实现量子轨道到自旋的转换

《Nano Letters》：Quantum Orbital-to-Spin Conversion by Ferroelectric Topological Switch

量子轨道到自旋的转换机制通过铁电性实现，驱动系统在第二类拓扑绝缘体和常规拓扑绝缘体间相变，使自旋相关的反常霍尔效应转化为轨道霍尔效应，从而改变霍尔传输的性质（纯轨道主导变为纯自旋主导），为融合自旋电子学、轨道电子学和拓扑电子学提供新途径。

　　

最近在电子系统中操控轨道自由度方面的进展激发了人们对新型领域“轨道电子学”的兴趣，这凸显了将其与现有自旋电子学范式结合以应用于下一代设备的必要性。在这里，我们阐述了量子轨道到自旋转换的原理：该机制通过铁电效应将量子化的轨道霍尔效应转化为量子自旋霍尔效应。我们发现，通过改变电极化方向，系统可以在第二类拓扑绝缘体状态和常规拓扑绝缘体状态之间发生拓扑相变，从而触发一个过程，使自旋依赖的异常霍尔效应转变为轨道霍尔效应。根据电子结构的不同，这会导致角动量量子化输运的性质发生根本性变化，从纯粹由轨道主导转变为完全由自旋主导。我们的工作揭示了自旋与轨道相互作用中尚未探索的方面，使得自旋电子学、轨道电子学和拓扑电子学能够在同一设备中自然融合。