自旋流的产生、操控与探测是自旋电子学研究的核心内容。目前人们致力于寻找、设计出高自旋流-电荷流相互转化、高电导率的强自旋轨道耦合材料，以期实现具有超低功耗的自旋电子学器件。强自旋轨道耦合材料主要分为两类：重金属和拓扑材料，对于这两类材料，其自旋流-电荷流转化分别归因于（逆）自旋霍尔效应和（逆）埃德尔施泰因效应。典型的拓扑材料包括拓扑绝缘体、狄拉克半金属和外尔半金属等，它们的电荷流-自旋流转化效率与传统重金属相比大一个量级以上。然而对于大多数具有单一表面态的三维拓扑绝缘体来说，它们的自旋流到电荷流转化效率（λIEE）仍旧相对较小，亟待提高。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室研究员成昭华课题组一直致力于拓扑材料的自旋输运研究，并取得一系列成果。在先前工作中，他们通过拓扑材料能带调控已经将Bi2Se3体系的λIEE提高了一个量级。近期， 他们与美国北卡罗纳州大学研究人员等合作，系统地研究了低维拓扑超晶格中能带依赖的自旋输运现象。团队利用分子束外延方法，首次实现了（Bi2/Bi2Se3）N低维拓扑超晶格可控生长，并对其不同截止面进行了能带计算（DFT）和测量（ARPES）。能带结果发现Bi截止面具有Rashba型的Dirac表面态，且具有巨大的自旋动量劈裂，而Bi2Se3截止面具有拓扑绝缘体和拓扑晶体绝缘体相共存的特性。通过室温自旋泵浦测量，研究发现Bi截止面超晶格的λIEE高达1.26nm，Bi2Se3截止面超晶格λIEE提升到0.19 nm，将纯Bi2Se3的λIEE（~0.035nm）提升了一个量级以上。另一方面，通过自旋Hanle进动测量发现，在低维尺度下双拓扑保护使得Bi2Se3截止面的自旋寿命τs高达1 ns，Bi截止面的自旋寿命τs可达0.4 ns。该工作不仅预示着多重拓扑保护下长距离自旋输运的可能性，同时也为实现拓扑超晶格中高效的自旋流-电荷流转化提供了新思路。相关工作发表在Advanced Materials上。
该项研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中科院前沿科学研究计划等的资助。
图1. (a)拓扑超晶格(□/Bi2Se3)-( Bi2Se3/Bi2Se3)N or (Bi2/Bi2Se3)-( Bi2Se3/Bi2Se3)N的结构示意图。（b）Bi2Se3截止面(左)和Bi截止面（右）沿着\(\rm\overline{ K}-\overline{Γ}-\overline{M}\) 方向的ARPES图。（c）拓扑超晶格的布里渊区以及其在（0001）面的投影（左）；DFT计算能带结果（右）。(d)Bi2Se3截止面（左）和Bi截止面（右）。
图2. (a) 自旋泵浦效应测量自旋-电荷转化示意图。（b）Bi和Bi2Se3截止面的λIEE随超晶格周期N的变化关系。（c）Bi2Se3相关的拓扑绝缘体中λIEE总结。(d)自旋进动示意图。（e）Bi截止面(左)和Bi2Se3截止面（右）自旋寿命测量结果图。
