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應用潛力。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員成昭華團隊的前期研究工作發現，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，科研人員觀察到各向異性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。
近期，該研究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Bi2Te3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，研究團隊利用超高真空分子束外延技術制備了高質量、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隨厚度的變化規律。進一步構建Fe/Bi2Te3 異質結后，結合平面波導鐵磁共振測試系統和時間分辨磁光克爾效應測試平臺，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Bi2Te3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。
該研究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。
相關研究成果以Warping Effect-Induced Spin Current Absorption at Various Timescales in Fe/Bi2Te3 Heterostructures為題，發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金的支持。
論文鏈接
Bi2Te3拓撲表面態能帶彎曲對Fe/Bi2Te3異質結在納秒和飛秒尺度下的自旋動力學行為的影響
本文鏈接：拓撲表面態能帶彎曲對自旋流的各向異性吸收機制研究取得進展http://www.sq15.cn/show-12-1515-0.html
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