近日，《美国化学会·纳米》（ACS Nano）正式刊发了题为“拓扑相变诱导(Bi_1–xIn_x)₂Se₃纳米器件的三轴矢量磁电阻”（Topological Phase Transition-Induced Triaxial Vector Magnetoresistance in (Bi_1–xIn_x)₂Se₃Nanodevices）的论文。该成果是国家脉冲强磁场科学中心用户南京大学王学锋教授团队在拓扑自旋电子器件领域取得的最新进展，南京大学王学锋教授、张海军教授和宋凤麒教授为共同通讯作者，中心夏正才教授参与相关工作。

近年来兴起的拓扑绝缘体及其量子相变体系存在着多种新奇物理效应，并趁着2016年拓扑相变获得诺贝尔物理学奖的“东风”，在凝聚态物理学、量子材料科学、信息电子学等多学科领域产生了广泛而深远的影响，在未来低能耗自旋电子器件中具有潜在应用。与普通半导体相比，三维拓扑绝缘体(如硒化铋Bi₂Se₃)最大的特色在于其存在独特的拓扑表面态。而通过引入非磁元素（如铟In）掺杂，拓扑表面态会在拓扑临界点发生奇异的量子相变，也就是说，材料从拓扑非平庸态向拓扑平庸态逐渐发生转变。因此，拓扑量子相变在能带上有着极强的调控力度，它可以使表面态逐渐打开能隙，进而使表面态消失。然而，如何利用拓扑临界点的量子相变效应发展出新原理拓扑功能型器件一直是该研究领域的空白。

根据拓扑绝缘体在相变过程中的奇异磁输运性质，该团队发展出了具有多维度、全空间矢量磁探测能力的新型拓扑磁传感器（图1）。研究中，该团队利用角分辨光电子能谱（ARPES）技术确认了8%的In组分能使Bi₂Se₃拓扑绝缘体单晶的能带结构最靠近拓扑临界点（图2a），并通过对磁场下纳米器件样品进行三维方向的变角度磁电阻输运测量与分析（图2b, c, d, e），发现该器件在磁场面内扫场时呈现出反常的负磁电阻现象，其原因在于拓扑临界点诱导的纳米薄片上下表面态的量子相干增强的耦合效应。研究表明，该原型器件的三轴矢量磁场探测的工作温度可达到室温，具有极大的实际应用前景。

作为国家脉冲强磁场科学中心用户，南京大学王学锋教授团队在强磁场测量方面得到中心夏正才教授的有力支持，强磁场中心提供了样品在高场下不同角度磁电阻强度的测量服务，获取了可靠的实验数据。

该项研究得到了国家重大科学研究计划和国家自然科学基金等项目的资助。

新闻来源：http://news.nju.edu.cn/show_article_12_48724

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b08054