拓撲絕緣體(ti) 代表一種全新的量子態，具有奇特的電子結構和自旋結構。它的體(ti) 態是有能隙的半導體(ti) 或者絕緣體(ti) ，但表麵態（邊緣態）則為(wei) 無能隙的金屬態。已有的理論和實驗已經確定，拓撲絕緣體(ti) 表麵態電子的自旋高度極化，而且電子自旋和晶體(ti) 動量鎖定在一起（spin-momentum locking），形成獨特的螺旋狀自旋結構（helical spin texture）。拓撲絕緣體(ti) 獨特的電子結構和自旋結構，對決(jue) 定拓撲絕緣體(ti) 的奇異性質及其在自旋電子學中的可能應用具有重要意義(yi) 。

　　進一步的理論研究表明，拓撲絕緣體(ti) 中除了自旋-動量鎖定之外，還可能存在獨特的自旋與(yu) 軌道結構(orbital texture) 的鎖定現象（spin-orbital texture）【H.J. Zhang et al., Phys. Rev. Lett. 111, 066801 (2013) 】。對這一新現象的實驗證實，不僅(jin) 需要能直接測量電子自旋的自旋分辨/角分辨光電子能譜實驗手段，而且需要光源的偏振方向可調。此外，自旋分辨光電子能譜係統需要具有足夠高的能量和動量分辨率。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）超導國家重點實驗室周興(xing) 江研究組，與(yu) 中科院理化技術研究所陳創天院士研究組及許祖彥院士研究組合作，研製成功國際首台基於(yu) 真空紫外激光，同時具有自旋分辨和角分辨功能的光電子能譜係統。該係統主要性能國際領先，其自旋分辨模式下的能量分辨率最好達到了2.5meV,是目前國際上最高記錄 (圖1)。通過對標準樣品Au(111)表麵態Rashba劈裂的自旋分辨測量，顯示了該真空紫外激光自旋分辨/角分辨光電子能譜係統的優(you) 越性能（圖1）。

　　周興(xing) 江研究組的謝卓晉與(yu) 何少龍等人，利用這台新近研製的設備，在三維拓撲絕緣體(ti) Bi2Se3的研究中直接證實了自旋-軌道鎖定的新現象。首先，他們(men) 采用不同偏振方式（s偏振或p偏振）的真空紫外激光對Bi2Se3拓撲絕緣體(ti) Dirac表麵態的電子結構進行了測量，發現上Dirac錐和下Dirac錐的等能麵譜權重分布與(yu) 測量采用的光源偏振方式密切相關(guan) （圖2）。對光電子能譜矩陣元效應的分析表明，在p偏振情況下測量的上、下Dirac錐的信號，主要來自pZ軌道 (圖3b)。而在s偏振情況下，測量的上Dirac錐信號主要來自p軌道麵內(nei) 切向分量的貢獻，而下Dirac錐的信號則主要來自p軌道麵內(nei) 徑向分量的貢獻（圖3c）。按照自旋-軌道鎖定的理論，可以預計這些獨特的軌道結構所對應的自旋結構（圖3b和c）。通過采集真空紫外激光自旋分辨/角分辨光電子能譜，他們(men) 直接測量了上、下Dirac錐分別在兩(liang) 種不同偏振方式（s偏振和p偏振）下對應的自旋結構（圖4c右側(ce) ），並且發現不同偏振方式下測量的自旋結構很不一樣，特別是在s偏振情況下，發現一個(ge) 非常奇特的自旋結構，即：上、下Dirac錐的自旋具有相同的手征特性。這與(yu) 以往的自旋實驗測量結果完全不同。這些實驗直接測量的結果（圖4），與(yu) 基於(yu) 自旋-軌道鎖定理論所預期的結果（圖3）完全吻合。

　　該項工作第一次直接從(cong) 實驗上證實了在拓撲絕緣體(ti) 中存在的自旋-軌道鎖定現象，確認了強自旋-軌道耦合係統在光電發射過程中自旋守恒規則依然成立，澄清了相關(guan) 的爭(zheng) 論。它推動了對拓撲絕緣體(ti) 電子自旋結構的深入研究，在實驗上實現了對電子自旋方向的光致調控，對拓撲絕緣體(ti) 在自旋電子學上的潛在應用有重要意義(yi) 。相關(guan) 工作發表在近期《自然-通訊》雜誌【Z.J.Xie, S. L. He et al., Nature Communications 5 (2014) 3382 】。此項工作得到了國家自然科學基金和科技部“973”計劃的支持。

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　　圖1 自主研發的真空紫外激光自旋分辨/角分辨光電子能譜係統的優(you) 越性能。c圖顯示的最好自旋能量分辨率為(wei) 2.5meV，為(wei) 國際上迄今為(wei) 止最高自旋能量分辨結果。對標準樣品Au(111)表麵態的Rashba劈裂測量結果，展示了係統在自旋模式下的優(you) 異動量分辨和能量分辨性能。

　　圖2 拓撲絕緣體(ti) Bi2Se3表麵態在不同偏振條件下測量的上、下Dirac錐的等能麵譜重分布。上半部分(a-d)為(wei) s偏振條件下的測量結果，下半部分(e-h)為(wei) p偏振下測量的結果。

　　圖3 拓撲絕緣體(ti) Bi2Se3表麵態電子在不同偏振條件下對應的p軌道結構以及基於(yu) 理論預測的相應自旋結構示意圖。a為(wei) 總自旋結構，即與(yu) p軌道x,y,z全部三個(ge) 分量相應的總自旋結構；b為(wei) p偏振下對應的p軌道結構與(yu) 相應的自旋結構；c為(wei) s偏振下對應的p軌道結構和相應的自旋結構。

　　圖4 在s偏振和p偏振測量條件下，自旋分辨角分辨光電子能譜直接測量的Bi2Se3拓撲絕緣體(ti) 表麵態上、下Dirac錐電子對應的自旋結構。