Para distinguir claramente las contribuciones de polarización de los estados de superficie lineal Dirac y parabólico 2DEG, el equipo de investigación de NRL seleccionó dos materiales:Bi2Se3, un aislante topológico conocido por tener estados de superficie tanto de Dirac lineal como trivial 2DEG; e InAs, un semiconductor común que exhibe solo los estados triviales de superficie 2DEG. Se realizaron mediciones y estructuras de dispositivos idénticas en cada uno, como se ilustra en la figura anterior. La polarización de espín creada por una corriente de polarización no polarizada se detecta directamente como voltaje (V) en un contacto de barrera de túnel magnético. Crédito:Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.
Científicos del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL) han informado de la primera comparación directa de la polarización de espín generada en los estados de Dirac topológicamente protegidos de un aislante topológico (TI), seleniuro de bismuto (Bi2Se3) y el gas trivial de electrones bidimensionales (2DEG). estados en la superficie del arseniuro de indio (InAs).
El equipo de investigación de NRL seleccionó los dos materiales para distinguir claramente las contribuciones de polarización de los estados de superficie lineal Dirac y parabólico 2DEG. Se realizaron mediciones y estructuras de dispositivos idénticas en cada uno:Bi2Se3, un aislante topológico conocido por tener estados de superficie tanto de Dirac lineal como trivial 2DEG; e InAs, un semiconductor común que exhibe solo los estados triviales de superficie 2DEG.
En cada caso, la polarización de espín se genera espontáneamente por una corriente de polarización no polarizada, y detectado usando contactos metálicos ferromagnéticos con una barrera de túnel de óxido. Los investigadores demostraron que el signo de la polarización de espín de estas dos contribuciones es opuesto, confirmando predicciones teóricas y estableciendo InAs como una muestra de referencia común para experimentos futuros.
El equipo también desarrolló un modelo detallado basado en potenciales electroquímicos dependientes del espín para derivar explícitamente el signo del voltaje de espín esperado para los estados de superficie de TI. lo que corrobora sus observaciones experimentales y predicciones teóricas previas.
"Al detectar esta polarización de espín directamente como voltaje, y diferenciar las contribuciones de estos dos sistemas fundamentalmente diferentes, es clave para comprender las propiedades básicas de los materiales de TI e interconectarlos con los circuitos electrónicos para futuras aplicaciones de dispositivos ", señala la Dra. Connie Li, autor principal del estudio. Dr. Berend Jonker, científico senior e investigador principal, señala "La coexistencia de estos estados 2DEG en sistemas TI ha generado una controversia considerable en el signo de voltaje de espín medido. InAs proporciona una amplia disponibilidad, simplemente una muestra de referencia preparada que los grupos de investigación de todo el mundo pueden utilizar para comparar mediciones de polarización similares en el futuro ".
Los aisladores topológicos constituyen una nueva fase cuántica de la materia donde la masa es nominalmente un aislante, pero la capa superficial está ocupada por estados metálicos de dispersión lineal poblados por fermiones de Dirac sin masa que están topológicamente protegidos de las perturbaciones en su entorno. La existencia de esta clase de material se predijo a partir del estudio de "topología, "una rama de las matemáticas que describe propiedades que solo cambian paso a paso. El Premio Nobel de Física 2016 se otorgó a tres físicos por utilizar conceptos topológicos para estudiar fases exóticas de la materia que manifiestan propiedades cuánticas novedosas que pueden mejorar la electrónica futura, superconductores, y conducen a las computadoras cuánticas.
Una de las propiedades más llamativas de los aislantes topológicos es la del bloqueo de la cantidad de movimiento del espín:el giro de un electrón en el estado de superficie de TI Dirac está bloqueado en ángulo recto con su cantidad de movimiento. En consecuencia, esto implica que cuando una corriente de carga no polarizada fluye en los estados de superficie topológicamente protegidos, debería aparecer espontáneamente una polarización neta de espín de electrones.
El acceso eléctrico a estos estados a veces se complica por la posible flexión de la banda en la superficie de la TI que puede conducir a la acumulación de carga y la formación de estados 2DEG triviales con dispersión de energía parabólica. Estos estados 2DEG anidan dentro y coexisten con los estados lineales de Dirac, y también puede generar una polarización de espín debido a un fuerte acoplamiento espín-órbita de Rashba, una división de bandas de espín dependiente del momento en sistemas bidimensionales de materia condensada. Su textura de giro helicoidal, o signo de la polarización inducida, sin embargo, se predice que es opuesto al de los estados de TI Dirac, y con menor magnitud.
El descubrimiento del equipo es un paso esencial en la manipulación eléctrica de espines en dispositivos cuánticos basados en acoplamiento de espín y órbita y TI de próxima generación.
