半导体所在反转能带半导体表面磁性全电控制方面取得进展

2011-3-03 16:02 来源: 中国科学院
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  在国家基金委和中科院创新工程的支持下,半导体研究所常凯研究员和博士生朱家骥与美国斯坦福大学物理系张首晟教授合作,从理论上研究了BiSe等材料表面磁性全电控制的可能性。

  通过控制载流子浓度以控制材料磁性是半导体自旋电子学领域的一个重要研究方向。这种控制方案已经在稀磁半导体GaMnAs中得以实现。但是当费米能级处于普通的半导体材料的能隙中时,半导体处于绝缘状态,因此以电子或空穴为媒介引致的磁离子之间的自旋关联消失,体系的铁磁性随之消失。最近发现的新型的拓扑绝缘体材料展现出反转的能带结构和较窄的带隙(0.4eV左右),且具有奇特的新特性: 它的体内是绝缘的,但是表面表现出金属特性。这类材料输运和磁光特性的研究工作正成为国际前沿研究领域的热点之一。

  这种类金属的电子表面态具有令人惊奇的自旋极化和手征特性,且由于时间反演对称性的保护,不容易受到杂质散射的破坏。如何利用电场来控制表面的磁性引起人们极大的研究兴趣。常凯等人从理论上研究了BiSe等材料表面磁性全电控制的可能性。由于表面态电子具有手征特性,导致磁离子之间扭曲的RKKY相互作用。这种RKKY相互作用由海森堡项,DM项和伊辛项构成。通过改变栅压,可以改变各项的相对权重,从而控制磁离子之间的自旋关联的形式,形成不同的磁相。

  该研究结果为实现人工控制的强关联系统提供了理论基础。相关文章发表在Phys. Rev. Lett. 106, 097201(2011)。