近期，一種能夠精確探測流經(jīng)量子材料表面電子磁性與奇異行為的新方法，有望為下一代電子器件開辟新道路。

硅基半導體是現(xiàn)今電子器件的核心，在運作過程中依賴于受控電流，并從中獲取電子電荷所攜帶的能量。不過，電子除了帶有電荷，它還擁有一種內(nèi)稟屬性——自旋，即自旋角動量。自旋是量子材料的特征之一，其雖難以捉摸，但卻能被調(diào)控以增強電子器件性能。

最近，由橡樹嶺國家實驗室的 An-Ping Li 領(lǐng)導的一個研究團隊，開發(fā)了一種新穎的顯微鏡技術(shù)來探測拓撲絕緣體中的電子自旋。而這些被探測的新型量子材料將可被應用于自旋電子學和量子計算等領(lǐng)域。

Li 說到：“自旋電流，即運動電子的總角動量，它是拓撲絕緣體中的一種行為，在未出現(xiàn)感應自旋的方法前，它的量一直無法被計算。”

隨著電子器件的不斷發(fā)展，我們需要將更多的能量存進更小的組件中去。而這就促成了我們對于更便宜、節(jié)能的新一代器件來替代充電式電子設(shè)備的需求。拓撲絕緣體的特性是其表面攜帶電流，而在材料體內(nèi)，則表現(xiàn)為絕緣體。同時，當電子流過拓撲絕緣體的表面時，其自旋方向表現(xiàn)出一致性，而不像半導體中的電子自旋是隨機取向的。

Li 補充道：“基于電荷的設(shè)備要比基于自旋的設(shè)備的能量效率低。所以自旋是有用的，我們需要去控制它們的流動與方向。”

圖 | 由橡樹嶺國家實驗室的一個研究團隊開發(fā)的一種新的顯微鏡方法。此方法的掃描隧道顯微鏡（STM）具備四個可移動的探針，可感應運動電子的自旋并提供高分辨率的結(jié)果。使用這種方法，研究者觀察到了電子在量子材料表面的自旋行為。 

為了探測并更好地理解這種奇特的粒子行為，研究小組需要開發(fā)一種方法來感應運動電子的自旋。他們用新的顯微鏡方法對含有鉍、碲、硒的單晶Bi2Te2Se（一種拓撲絕緣體）進行了測試，測量到了電子在材料表面特定點間移動產(chǎn)生的電壓并感應到了每個電子自旋的電壓。

這種新方法建立在一個四探針掃描隧道顯微鏡（STM）上，這種顯微鏡可以用四個可移動的探針來確定材料的原子活度（衰變率），而給這一設(shè)備加上一個組件后就可以觀察電子在材料表面的自旋行為。這種方法除了具有自旋靈敏度測量外，它還將電流限制在了表面的一個小區(qū)域內(nèi)，有助于防止電子從表面逸出，從而提供了高分辨率的結(jié)果。

Li 以共同作者的身份在《物理評論快報》(PRL) 上發(fā)表文章來解釋這一方法（文章標題《Detection of the Spin-Chemical Potential in Topological Insulators Using Spin-Polarized Four-Probe STM》）。

他說道：“我們成功地檢測到一個由電子自旋電流產(chǎn)生的電壓。這項工作為拓撲絕緣體中存在自旋電流提供了明確的證據(jù)，同時為其他的量子材料（或可被用于下一代電子器件的材料）的研究工作開辟了一個新的途徑。”

這項工作其他的合作者有：橡樹嶺實驗室的 Saban Hus, Giang Nguyen, Wonhee Ko and Arthur Baddorf、佛羅里達大學的 X.-G. Zhang 以及普渡大學的 Yong Chen。這項研究在納米材料科學中心進行，該新型顯微鏡方法由橡樹嶺國家實驗室的實驗室指導研究和發(fā)展項目資助。

來源：Deep Tech 深科技