固體所在基于光學伽伐尼效應產生純自旋流研究方面取得新進展

發表時間: 2021-02-07 作者:姜朋

近期,中科院合肥研究院固體所計算物理與量子材料研究部鄭小宏研究員課題組在利用光學伽伐尼效應產生純自旋流的研究中,基于結構對稱性提出了一個新的魯棒方案,即在具有空間反演對稱性的二維反鐵磁體系中實現光生純自旋流。相關研究結果以“Two-dimensional centrosymmetrical antiferromagnets for spin photogalvanic devices”為題發表在Nature合作期刊 npj Quantum Information (npj Quantum Inform., 7, 21 (2021) )上。

實現無凈電荷流伴隨的純自旋流是凝聚態物理和自旋電子學中一個非常重要的研究課題近年來,光學伽伐尼效應在低維體系的研究引起了廣泛的關注。有趣的是,當光學伽伐尼效應應用于具有空間反演對稱性破缺的強自旋軌道耦合體系或者自旋極化的鐵磁體系時,僅需通過光照便可產生自旋極化的光電流或者純自旋流。這為實現純自旋流提供了一個新的途徑。然而,以往對光學伽伐尼效應誘導純自旋流的研究更多集中于強自旋軌道耦合的體系或者鐵磁體系,且光生自旋極化光電流的一個重要條件是電子能帶須具備自旋劈裂特征。此外,這些體系都不是原始的材料,需經過一定的修飾加工滿足一定的對稱性才能達到光生純自旋流的條件,這對實驗制備條件提出了非常苛刻的要求,因此要在實際中實現光生純自旋流這個目標十分困難。

了克服這一困難鄭小宏研究員課題組基于光學伽伐尼效應產生純自旋流對結構對稱性的要求,提出了一個在二維反鐵磁體系中產生純自旋流的魯棒方案,即基于光學伽伐尼效應在具有中心反演對稱性并且自旋極化具有反對稱性的二維反鐵磁磁體系中產生純自旋流。這一全新方案首先被成功應用于具有自旋簡并能帶結構的鋸齒形石墨烯納米帶構建的自旋光電器件中。研究發現,純自旋流的產生既不依賴光子能量和光的偏振特征,也不依賴電子自旋能帶是否劈裂和簡并。這表明能帶自旋劈裂不是光生純自旋流的必要條件。此外,通過施加外置電場可以解除器件中電極端的自旋簡并特點,所構建的器件能實現自旋電子器件的多種功能:既能產生完全自旋極化電流又能實現純自旋流。更為重要的是,這種基于光學伽伐尼效應產生純自旋流的魯棒方案不僅限于石墨烯納米帶,還可以推廣至其它具有自旋極化反演反對稱性和結構反演對稱性的二維反鐵磁體系。這對于發展低功耗的自旋器件設計具有重要的參考意義。

本研究工作得到國家自然科學基金和國家留學基金委的資助,相關計算在中科院超算中心合肥分中心完成。

文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41534-021-00365-7

1. 基于帶寬為6的鋸齒形石墨烯納米帶構建的自旋光電器件(a-b)以及(c)器件的三種柵壓構型。

2. 鋸齒形石墨烯納米帶的(a)電荷密度和(b)自旋密度分布圖;(c)線偏振光以及(d)橢圓偏振光照射下,自旋分辨光電流和和總的電荷光電流隨偏振角以及螺旋角的變化。

3. 鋸齒形石墨烯納米帶體系的純自旋流產生示意圖。

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