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　在鐵磁/非磁（FM/NM）異質(zhì)結(jié)中，納秒尺度的自旋泵浦效應(yīng)和飛秒尺度的自旋超擴(kuò)散過程是實現(xiàn)鐵磁層向非磁層注入自旋流的兩種主要機(jī)制，為開發(fā)超快、低能耗自旋邏輯器件提供了理論基礎(chǔ)。拓?fù)浣^緣體（TI）憑借其強(qiáng)自旋軌道耦合和自旋-動量鎖定的表面態(tài)，展現(xiàn)出比傳統(tǒng)重金屬材料更高的自旋-電荷轉(zhuǎn)換效率，在新一代自旋邏輯器件及太赫茲波產(chǎn)生等領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員成昭華團(tuán)隊的前期研究工作發(fā)現(xiàn)，非磁層的能帶結(jié)構(gòu)可調(diào)控鐵磁層的磁性阻尼因子。在Fe/α-GeTe異質(zhì)結(jié)中，科研人員觀察到各向異性Rashba劈裂能帶在自旋泵浦效應(yīng)中誘導(dǎo)出增強(qiáng)的各向異性Gilbert阻尼。類似地，拓?fù)浣^緣體中k·p理論的高階項也能導(dǎo)致費米面彎曲，形成類雪花的費米輪廓。然而，這種形變的拓?fù)浔砻鎽B(tài)（TSS）對FM/TI異質(zhì)結(jié)構(gòu)中純自旋吸收的影響尚未探明。

　　近期，該研究團(tuán)隊基于自旋勢的玻爾茲曼方程，考慮了自旋積累強(qiáng)度，理論計算并預(yù)測了拓?fù)浔砻鎽B(tài)能帶彎曲對自旋流的各向異性吸收機(jī)制。理論預(yù)言，若費米面附近以TSS為主導(dǎo)，能帶彎曲效應(yīng)將導(dǎo)致納秒時間尺度下出現(xiàn)各向異性Gilbert阻尼，隨著Bi₂Te₃厚度增加，體態(tài)貢獻(xiàn)增強(qiáng)，積累的自旋向體態(tài)擴(kuò)散會稀釋該效應(yīng)，使各向異性消失；而在飛秒時間尺度下，準(zhǔn)平衡態(tài)尚未建立，因此不會出現(xiàn)各向異性自旋動力學(xué)行為，表現(xiàn)為各向同性的超快退磁。

實驗上，研究團(tuán)隊利用超高真空分子束外延技術(shù)制備了高質(zhì)量、厚度精確可控的Bi₂Te₃超薄膜。通過角分辨光電子能譜測量不同厚度Bi₂Te₃的費米面，擬合出能帶彎曲效應(yīng)隨厚度的變化規(guī)律。進(jìn)一步構(gòu)建Fe/Bi₂Te₃?異質(zhì)結(jié)后，結(jié)合平面波導(dǎo)鐵磁共振測試系統(tǒng)和時間分辨磁光克爾效應(yīng)測試平臺，分別在納秒與飛秒時間尺度探究其自旋動力學(xué)。實驗結(jié)果與理論預(yù)測一致：在納秒尺度觀察到各向異性增強(qiáng)的Gilbert阻尼，且其各向異性程度隨Bi₂Te₃層厚度增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢；而在飛秒尺度下，則檢測到近乎各向同性的超快退磁過程。

該研究提出并驗證了由拓?fù)浔砻鎽B(tài)能帶彎曲誘導(dǎo)的各向異性Gilbert阻尼機(jī)制，為推進(jìn)各向異性自旋電子學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。

　　相關(guān)研究成果以Warping Effect-Induced Spin Current Absorption at Various Timescales in Fe/Bi₂Te₃?Heterostructures為題，發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接

Bi₂Te₃拓?fù)浔砻鎽B(tài)能帶彎曲對Fe/Bi₂Te₃異質(zhì)結(jié)在納秒和飛秒尺度下的自旋動力學(xué)行為的影響