控制三维电子的自旋极化

科学家发现光子束如何翻转电子的自旋极化

拓扑绝缘体的内部确实是绝缘体,但电子(球体)在其表面迅速移动,就像穿过金属一样。然而,它们是自旋极化的,它们的动量(方向带)和自旋(箭头)锁在一起。伯克利实验室的研究人员发现,当材料被高能光子(左图为蓝绿色波)撞击时,光电子(右上角箭头所示的球体)的自旋极化完全由入射光的偏振决定。(图片来源:Chris Jozwiak, Zina Deretsky, Berkeley Lab Creative Services Office)

伯克利实验室的科学家们发现,当拓扑绝缘体被激光束击中时,它们发出的电子的自旋极化可以在三维空间中完全控制。

普通但固有地奇怪的晶体材料称为3D拓扑绝缘体(TIS)是材料科学中的所有愤怒。即使在室温下,单个块的Ti也是散装中的良好绝缘体,但它的表面上的金属也是如此。

研究人员发现TIS令人兴奋,因为迅速穿过其表面的电子是“自旋极化”:电子的旋转被锁定到其动量,垂直于行进方向。这些有趣的电子国家承诺许多使用 - 一些异国情调,如观察到从未见过的基本粒子,但许多实用,包括建立更通用和高效的高科技小工具,或进一步进入未来的平台量子计算

来自美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的一组研究人员刚刚对TIs进行了一个意想不到的发现,从而拓宽了可能性的前景:当被激光束击中时,它们发出的电子的自旋极化(这个过程称为光电发射)可以在三维空间中完全控制,只需调整入射光的偏振即可。

“我第一次看到这是一个震惊;这是如此巨大的效果,并且与大多数研究人员对拓扑绝缘体或任何其他材料采取的那样反对,“伯克利实验室的先进光源(ALS)表示,他在实验上工作。“能够控制偏振光和光电子旋转的相互作用打开了可能性的操场。”

伯克利实验室 - UC伯克利团队由伯克利实验室的材料科学师(MSD)和UC Berkeley的物理系,与Jozwiak和Als的Zahid Hussain合作工作;Robert Birgeneau,Dung-Hai Lee和Msd和UC Berkeley的Steve Louie;和UC Berkeley和首尔国立大学的Cheol-Hwan Park。他们和他们的同事报告他们在自然物理中的调查结果

奇怪的电子状态以及如何衡量它们

在物理学家称之为动量空间的图表中,TI的电子态看起来与相同类型的图表出奇地相似石墨烯.,单张碳原子,在拓扑绝缘体之前,是材料科学世界中最热门的话题。

在石墨烯和TIs的能量-动量图中,传导带(高能电子可以自由移动)和价带(低能电子被限制在原子内)不像在金属中那样重叠,也不像在绝缘体和半导体中那样在带之间存在能量间隙。相反,这些“带”以锥的形式出现,它们在一个称为狄拉克点的点上相交,能量在这一点上连续变化。

直接映射这些状态的实验技术是ARPES,角度分辨的光曝光光谱。当来自同步光源或激光撞击材料的能量光子时,它发出其自身能量和动量的电子通过材料的电子状态的分布来确定。由光谱仪转向到检测器上,这些光电子提供了材料的电子结构的动量空间图的图片。

拓扑绝缘体对光电子的控制

右图显示了硒化铋的电子状态在动量空间中。左侧的ARPES可以直接使用光电子创建此类地图。通过传导锥在费米能量的切片将拓扑绝缘体的表面作为圆圈(左上角)映射;这里电子旋转和动量被锁在一起。该实验中的初始ARPES测量在由绿圆和线指示的区域中的p偏振入射光进行,其中光电子的自旋极化与表面的内在自旋极化一致。

类似于它们的Dirac-Cone图可能出现,TIS表面和石墨烯表面上的电子状态基本上不同:石墨烯的那些不是旋转偏振,而TIS的那些是完全自旋极化的,并且以特殊的方式是完全自旋的。

通过Dirac-Cone图的切片产生圆形轮廓。在TIS中,旋转取向在圆周周围连续变化,从上到向下并再次返回,并且通过它们位于圆圈的位置确定锁定的表面电子旋转。科学家称之为动力和旋转Ti表面电子的“螺旋旋转纹理”。(电子旋转不像纺丝顶部的那样;它是表示成分角度的量子数量的量子数。)

直接测量电子的旋转以及它们的能量和动量需要增加Arpes仪器。旋转极化难以检测,过去已经通过在金箔处射击高能电子并计数它们中的一些方式来建立过去;收集数据需要很长时间。

Jozwiak, Lanzara和Hussain共同领导了一项精密探测器的开发,该探测器可以通过测量低能光电子在磁性表面的散射方式来测量它们的自旋。这种设备被称为旋转飞行时间分析仪,它在数据收集方面的效率要高很多倍。

侯赛因说:“这是那种只能在伯克利实验室这样的地方完成的项目,在那里可以对广泛的能力进行紧凑的合作。”

该仪器首次在ALS实验室用于研究著名的拓扑绝缘体硒化铋。虽然结果证实了硒化铋的螺旋自旋结构即使在室温下仍然存在,但他们提出了一个令人困惑的问题。

Lanzara说:“在ARPES实验中,通常假设检测到的光电子的自旋极化精确地报告了材料内电子的自旋极化。”她解释说“在确认Ti表面电子的螺旋旋转质地时经常制造这种假设。但在我们的旋转ARPES实验中,我们发现表面电子与光电子的自旋偏振之间的显着偏差。我们知道我们必须进一步看看。“

翻转光电子旋转

探测Ti表面电子不需要同步射线束的高光子能量,因此新的研究主要在实验室中进行,激光器可以产生能够刺激光学的激光紫外线,并且易于操纵其极化。该实验使用了来自Birgeneau的MSD和UC Berkeley Labs的高质量硒化硒样品。

翻转光电子旋转

P偏振(左上)的入射光产生与拓扑绝缘体表面中的自旋极化的通常图像一致的光电子,但是改变入射光的偏振也改变了光电子的自旋极化。

在第一个实验中,入射光是p偏振,这意味着光波的电气部分平行于垂直于Ti表面的平面并根据发射的光电子的路径定向。由于拓扑绝缘体的研究通常在该几何形状中使用p偏振光,因此肯定的旋转ARPES测量表明光电子确实在与表面电子的预期旋转纹理一致的方向上偏振。

Jozwiak说:“在我们测量了p偏振之后,我们改用s偏振激光束。”“收集数据只花了几分钟。(S偏振是指光波的电部分垂直于同一假想平面——“垂直”在德语中是“senkrecht”。)

他开始运行后三分钟,Jozwiak得到了一个颠簸。“实验完全相同,除了光极化,但现在光电子在反向方向上偏振 - 与您所期望的相反。”他的第一个假设是“我必须做错了。”

然而,在激光偏振范围内的重复仔细的实验​​,即激光束中的光子的自旋极化控制了发射的光电子的偏振。当激光偏振平滑变化时 - 即使它是圆偏振的右或左 - 光电子旋转偏振伴随着。

为什么没有任何结果与之前报告的预期表面纹理相反?可能是因为最常见的旋转ARPES实验在使用p偏振光的典型几何形状中进行了一些测量。然而,通过其他布置,光电子旋转极化显着远离预期。

该团队的理论合作者,公园,Louie和Lee帮助解释了他们预测的那些不寻常的理论结果,即应该发生光电子和固有纹理之间的这种差异。还有建议拓扑绝缘体中的旋转质地的简单图像比假设更复杂。Lanzara说:“保持挖掘是一个很大的动力。”

用调谐激光和激发偏振的电子击打拓扑绝缘体的能力对于用于旋转旋转和充电的闪光灯和电荷的闪光灯领域具有很大的潜力。光学控制电子分配和流量的装置将构成显着的进步。

Ti PhotoMission的光学控制也具有更直接的实际可能性。硒化铋可以仅提供适用于实验技术的正确种类的光电阴极源,其需要旋转偏振的电子束可以被精致和方便地控制。

美国能源部的科学办公室支持ALS和这项研究。

出版物:Chris Jozwiak等,“光电子旋转和纹理操作在拓扑绝缘体中,”自然物理(2013);DOI:10.1038 / nphys2572

图片:Chris Jozwiak,Zina Deretsky和Berkeley Lab创意服务办公室;

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