拓扑表面态能带弯曲诱导 Fe/Bi₂Te₃ 异质结在不同时间尺度下的自旋流吸收｜进展

观察视角不同，所见问题亦异。类似地，在纳秒与飞秒时间尺度下观测铁磁/非磁（FM/NM）异质结的自旋动力学，也会发现显著差异。在铁磁/非磁（FM/NM）异质结中，纳秒尺度的自旋泵浦效应和飞秒尺度的自旋超扩散过程是实现铁磁层向非磁层注入自旋流的两种主要机制，为开发超快、低能耗自旋逻辑器件提供了理论基础。拓扑绝缘体（TI）凭借其强自旋轨道耦合和自旋-动量锁定的表面态，展现出比传统重金属材料更高的自旋-电荷转换效率，在新一代自旋逻辑器件及太赫兹波产生等领域极具潜力。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学实验室M04 课题组成昭华研究员团队长期专注于铁磁/非磁异质结自旋动力学研究。前期工作发现，非磁层的能带结构可调控铁磁层的磁性阻尼因子。在 Fe/α-GeTe 异质结中，他们观察到各向异性 Rashba 劈裂能带在自旋泵浦效应中诱导出增强的各向异性 Gilbert 阻尼。类似地，拓扑绝缘体中 k·p 理论的高阶项也能导致费米面弯曲，形成类雪花的费米轮廓。然而，这种形变的拓扑表面态（TSS）对 FM/TI 异质结构中纯自旋吸收的影响尚未探明。

Bi₂Te₃拓扑表面态能带弯曲对Fe/Bi₂Te₃ 异质结在纳秒和飞秒尺度下的自旋动力学行为的影响

近期，该团队基于自旋势的玻尔兹曼方程，考虑了自旋积累强度，理论计算并预测了拓扑表面态能带弯曲对自旋流的各向异性吸收机制。理论预言：若费米面附近以 TSS（拓扑表面态）为主导，能带弯曲效应将导致纳秒时间尺度下出现各向异性 Gilbert 阻尼；随着 Bi₂Te₃ 厚度增加，体态贡献增强，积累的自旋向体态扩散会稀释该效应，使各向异性消失。而在飞秒时间尺度下，准平衡态尚未建立，因此不会出现各向异性自旋动力学行为，表现为各向同性的超快退磁。实验上，团队利用超高真空分子束外延（MBE）技术制备了高质量、厚度精确可控的 Bi₂Te₃ 超薄膜。通过角分辨光电子能谱（ARPES）测量不同厚度 Bi₂Te₃ 的费米面，拟合出能带弯曲效应随厚度的变化规律。进一步构建 Fe/Bi₂Te₃ 异质结后，他们结合平面波导铁磁共振（FMR）测试系统和时间分辨磁光克尔效应（TRMOKE）测试平台，分别在纳秒与飞秒时间尺度探究其自旋动力学。实验结果与理论预测一致：在纳秒尺度观察到各向异性增强的 Gilbert 阻尼，且其各向异性程度随 Bi₂Te₃ 层厚度增加呈现先增后减的趋势；而在飞秒尺度下，则检测到近乎各向同性的超快退磁过程。此项工作提出并验证了由拓扑表面态能带弯曲诱导的各向异性 Gilbert 阻尼机制，为推进各向异性自旋电子学研究奠定了基础。

该工作以题为“Warping Effect-Induced Spin Current Absorption at Various Timescales in Fe/Bi2Te3 Heterostructures ”发表于 Physical Review Letters134, 236204 (2025)。博士生刘佳南（已毕业）为论文第一作者，成昭华研究员为通讯作者。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面实验室 SF01课题组李晓敏副主任工程师和白雪冬研究员在高分辨扫描透射电子显微镜表征方面提供了重要支持。研究获得了国家重点研发计划和国家自然科学基金会的资助。

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