[论文解读] Chiral tunneling of topological states for giant longitudinal spin Hall angle

K. M. Masum Habib, Redwan N. Sajjad+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2014

Quantum and electron transport phenomena被引用 2

一句话总结

该论文表明，三维拓扑绝缘体中的手征隧穿和自旋-动量锁定通过增强自旋电流并抑制反射界面的电荷电流，实现了巨大的纵向自旋霍尔角（约20）。在透射端，电子完全自旋极化，自旋电流与电荷电流之比接近于1，从而通过门控可调的量子隧穿实现高效的自旋过滤与放大。

ABSTRACT

We show that the interplay between chiral tunneling and spin-momentum locking of helical surface states leads to spin amplification and filtering in a 3D Topological Insulator (TI). Chiral tunneling across a TI pn junction allows normally incident electrons to transmit, while the rest are reflected with their spins flipped due to spin-momentum locking. The net result is that the spin current is enhanced while the dissipative charge current is simultaneously suppressed, leading to an extremely large, gate tunable spin to charge current ratio (~20) at the reflected end. At the transmitted end, the ratio stays close to one and the electrons are completely spin polarized.

研究动机与目标

• 探讨三维拓扑绝缘体中的手征隧穿和自旋-动量锁定如何增强自旋电流并抑制电荷电流。
• 研究在门控条件下三维TI pn结中的自旋-电荷电流比。
• 通过螺旋表面态中的量子隧穿机制实现自旋过滤与放大。
• 展示拓扑绝缘体中门控可调的、巨大的纵向自旋霍尔角。

提出的方法

• 利用螺旋表面态的手征隧穿建模电子在三维拓扑绝缘体pn结中的输运行为。
• 利用自旋-动量锁定在隧穿过程中诱导反射电子的自旋翻转。
• 分析透射和反射界面处的自旋与电荷电流分量。
• 使用门电压调节隧穿的透射与反射概率。
• 应用量子输运理论计算自旋霍尔角与电流比。
• 模拟在自旋-动量锁定和手征隧穿条件下正入射电子的行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 三维TI pn结中的手征隧穿如何影响自旋与电荷电流的分布？
• RQ2 自旋-动量锁定在电子反射过程中实现自旋放大的作用是什么？
• RQ3 自旋-电荷电流比能否通过门控调节以实现巨大的纵向自旋霍尔角？
• RQ4 为何透射电子束完全自旋极化，而反射束表现出增强的自旋电流？
• RQ5 该系统中何种机制抑制了耗散性电荷电流，同时放大了自旋电流？

主要发现

• 由于手征隧穿和自旋-动量锁定，反射端的自旋-电荷电流比达到约20。
• 自旋霍尔角具有门控可调性，在反射界面处达到约20的巨大值。
• 在透射端，自旋-电荷电流比保持接近于1，表明电荷电流泄漏极少。
• 由于螺旋表面态的特性，透射端的电子完全自旋极化。
• 反射电子表现出增强的自旋电流与受抑制的耗散性电荷电流，从而实现高效的自旋过滤。
• 该系统通过拓扑绝缘体中的量子隧穿，实现了自旋放大与电荷电流抑制的同步。