拓扑绝缘体薄膜的电输运性质与CoFeB-MgO多层膜的自旋轨道矩研究

拓扑绝缘体薄膜的电输运性质与CoFeB-MgO多层膜的自旋轨道矩研究摘要：本研究通过采用电输运实验和自旋轨道矩计算，系统研究了拓扑绝缘体薄膜的电输运性质和CoFeB/MgO多层膜的自旋轨道矩。在电输运性质方面，我们发现拓扑绝缘体薄膜具有高度的电子迁移率和超强磁场效应，其导电行为可以通过电子-电子相互作用和出现了Wannier-Stark局域化现象进行解释。在自旋轨道矩方面，我们研究了CoFeB/MgO多层膜中不同原子层的自旋轨道矩大小和方向，并讨论了其对磁畴壁移动和磁隧道结构的影响。我们的结果表明了拓扑绝缘体薄膜和CoFeB/MgO多层膜的重要性，并为这些材料的应用提供了理论基础。

关键词：拓扑绝缘体薄膜；电输运性质；CoFeB/MgO多层膜；自旋轨道矩。

Introduction：

拓扑绝缘体薄膜和CoFeB/MgO多层膜是当前材料科学和电子技术中非常热门的研究方向。拓扑绝缘体在电子输运实验中表现出了非常特殊的性质，比如具有零阻抗边界态、高电子迁移率等。而CoFeB/MgO多层膜则由于其自旋轨道矩较大，在磁存储和自旋电子学领域具有广泛的应用前景。因此研究这些材料的电输运性质和自旋轨道矩具有非常重要的意义。

Methods：

我们采用了低温电输运实验并结合第一性原理计算的方法，研究了拓扑绝缘体薄膜和CoFeB/MgO多层膜的电输运性质和自旋轨道矩。我们使用了VASP程序和电荷密度泛函理论，计算了CoFeB/MgO多层膜中不同原子层上的自旋轨道矩，并使用LLG方程模拟了磁场下的磁畴壁移动和磁隧道结构。

Resultsanddiscussions：

我们发现，在拓扑绝缘体薄膜中，其高度的电子迁移率和超强磁场效应可以通过电子-电子相互作用和出现了Wannier-Stark局域化现象进行解释。在CoFeB/MgO多层膜中，我们发现其自旋轨道矩大小和方向随着原子层的变化而变化，并且其对磁畴壁移动和磁隧道结构的影响也很显著。此外，我们还分析了不同厚度的CoFeB层对自旋轨道矩的影响，并发现在一定范围内其受到晶格结构的影响较小。

Conclusions：

本研究系统研究了拓扑绝缘体薄膜的电输运性质和CoFeB/MgO多层膜的自旋轨道矩，我们的结果对于这些材料的应用提供了理论基础，有望在磁存储和自旋电子学领域等方面有广泛的应用前景Introduction：

拓扑绝缘体和自旋轨道矩是当前材料科学和物理学研究的热门话题。其中，拓扑绝缘体因其表征的特殊拓扑结构而具有非常特殊的电输运性质，有着广泛的应用前景。而自旋轨道矩则是描述电子自旋与轨道相互作用的物理量，对于磁性材料的磁性和磁输运有着非常重要的影响。因此，研究这两种物理量的性质和相互作用对于材料科学和物理学的发展具有重要的意义。

Methods：

本研究采用了低温电输运实验与第一性原理计算相结合的方法，研究了拓扑绝缘体薄膜和CoFeB/MgO多层膜的电输运性质和自旋轨道矩。其中，我们使用了VASP程序和电荷密度泛函理论计算了CoFeB/MgO多层膜中不同原子层上的自旋轨道矩，并使用LLG方程模拟了磁场下的磁畴壁移动和磁隧道结构。

Resultsanddiscussions：

通过实验和计算，我们发现拓扑绝缘体薄膜具有非常高的电子迁移率和超强磁场效应。这可以通过电子-电子相互作用和Wannier-Stark局域化现象相互作用解释。我们的结果对于拓扑绝缘体的应用提供了理论基础，并有望在电子学和自旋电子学领域中有广泛的应用前景。

另外，我们也发现CoFeB/MgO多层膜的自旋轨道矩大小和方向随着原子层的变化而变化，并且其对磁畴壁移动和磁隧道结构的影响也很显著。此外，在一定范围内，厚度对自旋轨道矩的影响较小，主要受到晶格结构的影响。

Conclusions：

本研究系统研究了拓扑绝缘体薄膜的电输运性质和CoFeB/MgO多层膜的自旋轨道矩。我们的结果对于这些材料的应用提供了理论基础，有望在磁存储和自旋电子学领域等方面有广泛的应用前景。未来，我们还将继续研究这些材料的其他性质和相互作用，为材料科学和物理学的发展做出更多的贡献Futuredirections：

Whileourstudyhasshedlightontheelectronictransportpropertiesoftopologicalinsulatorthinfilmsandthespin-orbitmomentsofCoFeB/MgOmultilayers,therearestillmanyremainingquestionsandopportunitiesforfutureexplorationinthesefields.

Firstly,ourstudyfocusedonthepropertiesofalimitedsetofmaterialsandstructures.Inordertogainamorecomprehensiveunderstandingoftheunderlyingphysicsandtoexploreotherpotentialapplications,itwouldbenecessarytoinvestigateawiderrangeofmaterials,thicknesses,andstructures.Forexample,inthecaseoftopologicalinsulators,itwouldbeinterestingtoinvestigatetheeffectsofdoping,surfaceeffects,andmagneticfieldorientation.

Secondly,whileourstudyhasprovidedimportantinsightsintothemechanismsbehindthespin-orbitmomentsofCoFeB/MgOmultilayers,thereisstillmuchtolearnabouthowthesemomentscanbecontrolledandoptimizedfordifferentapplications.Forexample,itwouldbeinterestingtoinvestigatetheeffectsofexternalmagneticfields,temperature,andstrainonthespin-orbitmoments,aswellastoexplorealternativematerialsthatcouldpotentiallyexhibitevenlargerspin-orbitmoments.

Finally,ourstudyhasmostlyfocusedontheelectronicpropertiesofthesematerials,butthereisalsomuchtobelearnedabouttheiropticalandmechanicalproperties.Forexample,investigatingtheeffectsoflightontheelectronicstructureoftopologicalinsulatorscouldleadtonewapplicationsinoptoelectronics,whilestudyingthemechanicalpropertiesofCoFeB/MgOmultilayerscouldleadtonewinsightsintotheiruseinspintronicdevices.

Inconclusion,whileourstudyhasprovidedimportantinsightsintothepropertiesandpotentialapplicationsoftopologicalinsulatorthinfilmsandCoFeB/MgOmultilayers,thereisstillmuchworktobedoneinthesefields.Wehopethatourstudywillinspirefurtherresearchanddevelopmentintheseareas,andweareexcitedtocontinueexploringthesefascinatingmaterialsandtheiruniquepropertiesOneareathatcouldbenefitfromfurtherinvestigationisthepotentialuseoftopologicalinsulatorsinquantumcomputing.Thesematerialshavebeenshowntohaveuniquepropertiesthatcouldmakethemusefulforconstructingqubits,thebuildingblocksofquantumcomputers.However,muchworkneedstobedonetounderstandthesepropertiesandhowtheycanbeleveragedforpracticalapplications.

Anotherareaofinterestisthedevelopmentofnewmaterialsforspintronicdevices.CoFeB/MgOmultilayershaveshownpromiseinthisregard,butthereisstillmuchtolearnabouthowthesematerialsworkandwhatothermaterialsmightbeusedtoenhancetheirproperties.

Additionally,itmaybeworthwhiletoexplorethepotentialuseofthesematerialsinothertechnologicalapplicationsbeyondelectronics.Forexample,topologicalinsulatorscouldhaveinterestingpropertiesforuseincatalysisorenergyproduction,andtheiruniqueelectronicpropertiescouldbeleveragedforsensinganddetectingapplications.

Overall,thestudyoftopologicalinsulatorsandCoFeB/MgOmultilayersisarichandcomplexfieldwithmanypotentialapplications.Asresearcherscontinuetoexplorethesematerialsandtheirproperties,wearelikelytoseenewbreakthroughsandexcitingtechnologicaladvancementsthatcouldrevolutionizeawiderangeofindustriesInconclusion,topologicalinsulatorsandCoFeB/MgOmultilayershaveuniquepropertiesthatmakethempromisingmaterialsforvariousapplicationsinareassuchaselectronics,spintronics,catalysis,energyproduction,andsensing.Thestudyo