某些材料，如铜，导电性能很好，而其他材质，如玻璃，则不能。一种称为拓扑绝缘体的特定材料，部分类似于其中一种，部分类似于另一种，行为类似于表面上的导体和内部绝缘体。由于拓扑绝缘体具有独特电子特性，以及它们在自旋电子器件中的潜在用途，甚至可以作为量子计算机的晶体管，美国能源部(DOE)Argonne国家实验室的科学家们对研究这些材料中导电表面电子两种特性之间的特殊关系很感兴趣。
在拓扑绝缘体中，每个表面电子的自旋和动量是如此紧密地联系在一起，以至于用科学的说法，它们是相互锁定的。Argonne材料科学家Olle Heinonen说：自旋动量锁定就像拥有一个篮球，它必须根据它在球场上的轨迹在特定方向上旋转。
因为电子也携带磁矩，所以可以使用自旋动量锁定来非常有效地操纵磁系统。拓扑绝缘体的电子结构，包括自旋动量锁定的细节。为了探索拓扑材料中电子的新行为，Argonne科学家与新加坡国立大学的科学家合作。
科学家们共同进行了一项传输实验，为拓扑保护的电子结构提供了一个新的视角。Heinonen和前Argonne博士后研究员Shulei Zhang描述了在输运实验中，施加在拓扑绝缘体薄膜平面上的磁场，如何在垂直于外加电流的方向上产生电压：一种被称为非线性平面霍尔效应的现象。通过改变磁场的方向和强度，研究人员可以从产生的电阻信息中确定电子在它们的动量和自旋方面如何分布。
如果知道施加在不同方向的磁场，会如何影响所测得的非线性霍尔电流，就可以使用该理论模型来绘制电子的动量和自旋如何分布。然后，由于可以更精确地看到电磁场如何与表面传导电子相互作用，可以获得更详细的拓扑绝缘体表面电子结构信息。非线性平面霍尔效应和具有自旋动量锁定的拓扑表面态之间的联系是一种“宏观-微观关系”，其研究发现已发表在《物理评论快报》期刊上。
博科园｜研究/来自：阿贡国家实验室
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.016801
