近日，南京大学电子科学与工程学院王学峰教授、徐永兵教授、张荣教授团队在拓扑自旋电子设备领域取得新进展，通过引入非磁元素混合，诱导拓扑绝缘体拓扑量子相变，测量了奇怪的三轴异性磁电阻，开发了新的室温全空间磁传感原型设备。这项研究工作是拓扑相变诱导(Bi1–xInx)2Se三轴矢量磁电阻3纳米器件(Topological Phase Transition-Induced Triaxial Vector Magnetoresistance in (Bi1–xInx)2Se3Nanodevices)以美国化学会为题发表·纳米》(ACS Nano, 影响因子13.9)杂志上(ACS Nano12, 1537 (2018))。
近年来，拓扑绝缘体及其量子相变系统具有多种新颖的物理效应，利用2016年诺贝尔物理奖东风，在凝聚物物理、量子材料科学、信息电子等学科领域产生了广泛而深远的影响，在未来的低能耗旋转电子设备中具有潜在的应用。与普通半导体相比，三维拓扑绝缘体(如硒化铋)Bi2Se3)最大的特点是其独特的拓扑表面态。通过引入非磁元素(如非磁元素)In)在拓扑的临界点，拓扑表面态会发生奇怪的量子相变，也就是说，材料会逐渐从拓扑非平庸转变为拓扑平庸。因此，拓扑量子相变在能带上有很强的调节力，它能使表面态逐渐打开能隙，进而使表面态消失。然而，拓扑功能装置的新原理一直是拓扑临界点量子相变效应发展的空白。
图1. 新型拓扑磁传感器多维度、全空间矢量磁检测示意图
该团队利用拓扑绝缘体在相变过程中的奇异磁运输性能，开发了一种新型的拓扑磁传感器（图1），具有多维、全空间矢量磁探测能力。他们先调整In掺杂浓度，探索拓扑相变点附近的组分，利用角分辨光电子能谱(ARPES)8%的技术8% 的In组分能使Bi2Se3.拓扑绝缘体单晶能带结构最接近拓扑临界点(图2)a)，而且从ARPES运输测量证实该组分仍处于拓扑不平庸的一侧。相变点附近的(Bi0.92In0.08)2Se3迁移率高达18000 cm2/Vs@2 K，舒勃尼科夫-德哈斯，从拓扑了拓扑的表面状态(SdH)结果发表在量子振荡中Chinese Physics B26, 127305 (2017)被选为本杂志封面亮点论文。随后，团队利用微加工技术将机械剥离的纳米薄片(厚度约为40至90 nm)制备纳米装置，对其进行详细的三维方向变角磁电阻输送测量。显示(图2)主要结果b, c)：磁场在面外扫场时，纳米器件呈现出较大的正磁电阻；而磁场在面内扫场时，却呈现出反常的负磁电阻现象；三个方向磁电阻比达到-3%(x):-1%(y):225%(z)，从而展现了全空间三轴矢量磁传感器的全新工作原理。通过大量的控制实验，团队将面部奇怪的负磁电阻归因于拓扑临界点诱导的量子相关增强的耦合效应（图2）d)。当磁场应用于面部时，拓扑表面电子自旋会产生与磁场方向平行的自旋极化(图2e)，因此，随着磁场的增加，电子自旋散射减少，电阻降低，负磁电阻行为异常。更重要的是，三轴矢量磁场检测的工作温度可以达到室温。这是极少数基于拓扑材料的电子设备能够持续工作到室温的例子，预示着巨大的实际应用前景。
图2. 拓扑量子相变诱导(Bi0.92In0.08)2Se三轴各向异性磁电阻：(a) (Bi1–xInx)2Se3(x= 0, 0.08 & 0.16)的ARPES谱；(b) 三轴矢量磁电阻曲线；(c) 不同角度的磁电阻强度；(d) 拓扑相变导致量子相干增强的耦合效应示意图；(e) 表面磁场的自旋极化示意图应在上下表面相干耦合时施加。本文的第一作者是电子科学与工程学院博士生张敏浩和物理学院博士后王怀强。通信作者是电子科学与工程学院王学峰教授、物理学院张海军教授、宋凤琪教授。相关工作得到了邢定钰院士、张荣教授和徐永兵教授的指导，得到了中国科学技术大学孙喆教授和华中科技大学夏正才教授分别在ARPES电子科学与工程学院王欣然教授、物理学院王伯根教授、苗峰教授在部分实验和理论上也得到了大力支持。
本研究以南京大学电子科学与工程学院、人工微结构科技协同创新中心为主要研究平台，由国家重大科研计划和国家自然科学基金资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b08054