某些材料，如銅，導電性能很好，而其他材質，如玻璃，則不能。一種稱為拓撲絕緣體的特定材料，部分類似於其中一種，部分類似於另一種，行為類似於表面上的導體和內部絕緣體。由於拓撲絕緣體具有獨特電子特性，以及它們在自旋電子器件中的潛在用途，甚至可以作為量子計算機的電晶體，美國能源部(DOE)Argonne國家實驗室的科學家們對研究這些材料中導電錶面電子兩種特性之間的特殊關係很感興趣。
在拓撲絕緣體中，每個表面電子的自旋和動量是如此緊密地聯繫在一起，以至於用科學的說法，它們是相互鎖定的。Argonne材料科學家Olle Heinonen說：自旋動量鎖定就像擁有一個籃球，它必須根據它在球場上的軌跡在特定方向上旋轉。
因為電子也攜帶磁矩，所以可以使用自旋動量鎖定來非常有效地操縱磁系統。拓撲絕緣體的電子結構，包括自旋動量鎖定的細節。為了探索拓撲材料中電子的新行為，Argonne科學家與新加坡國立大學的科學家合作。
科學家們共同進行了一項傳輸實驗，為拓撲保護的電子結構提供了一個新的視角。Heinonen和前Argonne博士後研究員Shulei Zhang描述了在輸運實驗中，施加在拓撲絕緣體薄膜平面上的磁場，如何在垂直於外加電流的方向上產生電壓：一種被稱為非線性平面霍爾效應的現象。通過改變磁場的方向和強度，研究人員可以從產生的電阻信息中確定電子在它們的動量和自旋方面如何分布。
如果知道施加在不同方向的磁場，會如何影響所測得的非線性霍爾電流，就可以使用該理論模型來繪製電子的動量和自旋如何分布。然後，由於可以更精確地看到電磁場如何與表面傳導電子相互作用，可以獲得更詳細的拓撲絕緣體表面電子結構信息。非線性平面霍爾效應和具有自旋動量鎖定的拓撲表面態之間的聯繫是一種「宏觀-微觀關係」，其研究發現已發表在《物理評論快報》期刊上。
博科園｜研究/來自：阿貢國家實驗室
參考期刊《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.016801
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