觀察視角不同，所見問題亦異。類似地，在納秒與飛秒時間尺度下觀測鐵磁/非磁（FM/NM）異質結的自旋動力學，也會發現顯著差異。在鐵磁/非磁（FM/NM）異質結中，納秒尺度的自旋泵浦效應和飛秒尺度的自旋超擴散過程是實現鐵磁層向非磁層注入自旋流的兩種主要機制，為開發超快、低能耗自旋邏輯器件提供了理論基礎。拓撲絕緣體（TI）憑借其強自旋軌道耦合和自旋-動量鎖定的表面態，展現出比傳統重金屬材料更高的自旋-電荷轉換效率，在新一代自旋邏輯器件及太赫茲波產生等領域極具潛力。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學實驗室M04 課題組成昭華研究員團隊長期專注于鐵磁/非磁異質結自旋動力學研究。前期工作發現，非磁層的能帶結構可調控鐵磁層的磁性阻尼因子。在 Fe/α-GeTe 異質結中，他們觀察到各向異性 Rashba 劈裂能帶在自旋泵浦效應中誘導出增強的各向異性 Gilbert 阻尼。類似地，拓撲絕緣體中 k·p 理論的高階項也能導致費米面彎曲，形成類雪花的費米輪廓。然而，這種形變的拓撲表面態（TSS）對 FM/TI 異質結構中純自旋吸收的影響尚未探明。

Bi?Te?拓撲表面態能帶彎曲對Fe/Bi?Te? 異質結在納秒和飛秒尺度下的自旋動力學行為的影響

近期，該團隊基于自旋勢的玻爾茲曼方程，考慮了自旋積累強度，理論計算并預測了拓撲表面態能帶彎曲對自旋流的各向異性吸收機制。理論預言：若費米面附近以 TSS（拓撲表面態）為主導，能帶彎曲效應將導致納秒時間尺度下出現各向異性 Gilbert 阻尼；隨著 Bi?Te? 厚度增加，體態貢獻增強，積累的自旋向體態擴散會稀釋該效應，使各向異性消失。而在飛秒時間尺度下，準平衡態尚未建立，因此不會出現各向異性自旋動力學行為，表現為各向同性的超快退磁。實驗上，團隊利用超高真空分子束外延（MBE）技術制備了高質量、厚度精確可控的 Bi?Te? 超薄膜。通過角分辨光電子能譜（ARPES）測量不同厚度 Bi?Te? 的費米面，擬合出能帶彎曲效應隨厚度的變化規律。進一步構建 Fe/Bi?Te? 異質結后，他們結合平面波導鐵磁共振（FMR）測試系統和時間分辨磁光克爾效應（TRMOKE）測試平臺，分別在納秒與飛秒時間尺度探究其自旋動力學。實驗結果與理論預測一致：在納秒尺度觀察到各向異性增強的 Gilbert 阻尼，且其各向異性程度隨 Bi?Te? 層厚度增加呈現先增后減的趨勢；而在飛秒尺度下，則檢測到近乎各向同性的超快退磁過程。此項工作提出并驗證了由拓撲表面態能帶彎曲誘導的各向異性 Gilbert 阻尼機制，為推進各向異性自旋電子學研究奠定了基礎。

該工作以題為“Warping Effect-Induced Spin Current Absorption at Various Timescales in Fe/Bi2Te3 Heterostructures ”發表于 Physical Review Letters134, 236204 (2025)。博士生劉佳南（已畢業）為論文第一作者，成昭華研究員為通訊作者。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面實驗室 SF01課題組李曉敏副主任工程師和白雪冬研究員在高分辨掃描透射電子顯微鏡表征方面提供了重要支持。研究獲得了國家重點研發計劃和國家自然科學基金會的資助。

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