Топологические изоляторы (ТИ) представляют собой особый класс материалов, характеризующихся проводящей поверхностью и изолирующим объемом. Главная особенность ТИ заключается в том, что их поверхностные состояния защищены топологическим инвариантом, что делает их устойчивыми к неупорядоченным возмущениям, таким как дефекты кристаллической решетки или незначительные примеси.
Эти поверхности описываются моделью Дираковских фермионов с линейной дисперсией энергии по импульсу, что ведет к сильной спин-импульсной зацепленности (spin-momentum locking): направление спина электрона строго связано с направлением его движения. Именно это свойство обеспечивает уникальные возможности для генерации и контроля спиновых токов.
На поверхности топологического изолятора под воздействием электрического поля возникает так называемый Эффект Эджа (Edelstein effect), или индуцированное спиновое поляризованное состояние. При протекании электрического тока электроны с определенным направлением импульса создают избыточное выравнивание спинов:
S ∝ ẑ × j
где S — плотность спина, j — электрический ток, а ẑ — нормаль к поверхности. Этот эффект приводит к появлению неравновесного спинового тока, который течет без рассеяния по поверхности ТИ, благодаря топологической защите.
Поверхностные состояния описываются гамильтонианом Дирака:
H = ℏvF(σxky − σykx)
где vF — скорость Ферми, σx, y — матрицы Паули, kx, y — компоненты волнового вектора. Решения гамильтониана дают линейную спектральную зависимость энергии от импульса:
E(k) = ±ℏvF|k|
Спиново-импульсная зацепленность выражается через то, что оператор спина σ перпендикулярен волновому вектору k и лежит в плоскости поверхности. Это обеспечивает защиту спинового тока от обратного рассеяния на немагнитные дефекты, что критически важно для спинтронных приложений.
ARPES (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy) — основной метод визуализации спин-импульсной структуры поверхностных состояний. Позволяет измерять направление спина относительно импульса в реальном материале.
SP-STM (Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscopy) — локальное измерение спиновой поляризации электронов на поверхности с атомным разрешением.
Электрические измерения спинового тока — регистрация спиновой намагниченности в смежных ферромагнитных слоях через эффект обратного спинового Холла (inverse spin Hall effect).
При контакте топологического изолятора с ферромагнетиком спиновые токи индуцируют спин-орбитальный момент, который способен управлять ориентацией магнитного слоя. Этот эффект лежит в основе современных спин-орбитальных транзисторов (SOT devices).
Математически взаимодействие описывается через добавку к гамильтониану:
Hexchange = Δ(m ⋅ σ)
где Δ — обменная энергия, а m — единичный вектор намагниченности ферромагнетика. Под действием спинового тока S возникает торсионный момент:
T ∼ m × (S × m)
который может переключать магнитное состояние без необходимости применения внешнего магнитного поля.