近日，南京大学电子科学与工程学院王学锋教授、徐永兵教授、张荣教授团队在拓扑自旋电子器件领域取得新进展，通过引入非磁元素掺杂而诱导拓扑绝缘体发生拓扑量子相变，测量到了奇异的三轴各向异性磁电阻，并研制出新型的室温全空间磁传感原型器件。该项研究工作以《拓扑相变诱导(Bi1–xInx)2Se3纳米器件的三轴矢量磁电阻》(Topological Phase Transition-Induced Triaxial Vector Magnetoresistance in (Bi1–xInx)2Se3 Nanodevices)为题发表在《美国化学会·纳米》杂志上(ACS Nano 12, 1537 (2018))。
近年来兴起的拓扑绝缘体及其量子相变体系存在着多种新奇物理效应，并趁着2016年拓扑相变获得诺贝尔物理学奖的“东风”，在凝聚态物理学、量子材料科学、信息电子学等多学科领域产生了广泛而深远的影响，在未来低能耗自旋电子器件中具有潜在应用。与普通半导体相比，三维拓扑绝缘体(如硒化铋Bi2Se3)最大的特色在于其存在独特的拓扑表面态。而通过引入非磁元素(如铟In)掺杂，拓扑表面态会在拓扑临界点发生奇异的量子相变，也就是说，材料从拓扑非平庸态向拓扑平庸态逐渐发生转变。因此，拓扑量子相变在能带上有着极强的调控力度，它可以使表面态逐渐打开能隙，进而使表面态消失。然而，如何利用拓扑临界点的量子相变效应发展出新原理拓扑功能型器件一直是该研究领域的空白。
图1. 新型拓扑磁传感器多维度、全空间矢量磁探测示意图
利用拓扑绝缘体在相变过程中的奇异磁输运性质，该团队发展出了具有多维度、全空间矢量磁探测能力的新型拓扑磁传感器(图1)。他们首先调节In掺杂浓度，探寻拓扑相变点附近的组分，利用角分辨光电子能谱(ARPES)技术确认了8% 的In组分能使Bi2Se3拓扑绝缘体单晶的能带结构最靠近拓扑临界点(图2a)，而且从ARPES和输运测量均确认了该组分仍处于拓扑非平庸态的一侧。该相变点附近的(Bi0.92In0.08)2Se3迁移率高达18000 cm2/Vs@2 K，呈现出显著的来自拓扑表面态贡献的舒勃尼科夫-德哈斯(SdH)量子振荡，结果发表于Chinese Physics B 26, 127305 (2017)，被遴选为该杂志的封面亮点特色论文。随后，团队利用微加工技术把机械剥离的纳米薄片(厚度约40至90 nm)制备成纳米器件，对它进行了详细的三维方向的变角度磁电阻输运测量。主要结果显示(图2b, c)：磁场在面外扫场时，纳米器件呈现出较大的正磁电阻；而磁场在面内扫场时，却呈现出反常的负磁电阻现象；三个方向磁电阻比达到-3%(x):-1%(y):225%(z)，从而展现了一种全空间三轴矢量磁传感器的崭新工作原理。通过大量的对照控制实验，团队将面内奇异负磁电阻现象归因于拓扑临界点诱导的纳米薄片上下表面态的量子相干增强的耦合效应(图2d)。当面内施加磁场时，拓扑表面态电子自旋会产生与磁场方向平行的自旋极化(图2e)，因而电子随着磁场增加自旋散射减少，电阻降低，并呈现出反常的负磁电阻行为。更重要的是，该原型器件的三轴矢量磁场探测的工作温度可达到室温。这是基于拓扑材料的电子器件极少数能持续工作至室温的范例，预示着极大的实际应用前景。
图2. 拓扑量子相变诱导的(Bi0.92In0.08)2Se3三轴各向异性磁电阻：(a) (Bi1–xInx)2Se3 (x = 0, 0.08 & 0.16)的ARPES谱；(b) 三轴矢量磁电阻曲线；(c) 面内和面外不同角度的磁电阻强度；(d) 拓扑相变导致纳米薄片上下表面态的量子相干增强的耦合效应示意图；(e) 在上下表面态相干耦合时，施加面内磁场的自旋极化示意图。
该论文共同第一作者是电子科学与工程学院博士生张敏昊和物理学院博士后王怀强，通讯作者是电子科学与工程学院王学锋教授、物理学院张海军教授和宋凤麒教授。相关工作得到了邢定钰院士、张荣教授和徐永兵教授的指导，得到了中国科学技术大学孙喆教授和华中科技大学夏正才教授分别在ARPES和强磁场输运测量方面的有力支持，也得到了电子科学与工程学院王欣然教授和物理学院王伯根教授、缪峰教授在部分实验与理论上的帮助。
该项研究以南京大学电子科学与工程学院、人工微结构科学与技术协同创新中心为主要研究平台，受到了国家重大科学研究计划和国家自然科学基金等项目的资助。