近日,中科院合肥研究院固體所計(jì)算物理團(tuán)隊(duì)鄭小宏研究員課題組在光致純自旋流的研究中取得新的進(jìn)展,提出了結(jié)構(gòu)具有空間反演對(duì)稱而自旋密度具有空間反演反對(duì)稱的體系是利用光學(xué)伽伐尼效應(yīng)獲得純自旋流的理想體系,且純自旋流的產(chǎn)生不依賴于光子的能量、光的偏振類型或偏振角。本研究工作為可靠地得到純自旋流提出了一種重要的方案。 相關(guān)結(jié)果以Rapid Communication發(fā)表在Physical Review B 上。
光學(xué)伽伐尼效應(yīng)(Photogalvanic Effect,PGE)是一種非線性光學(xué)效應(yīng),指的是在空間結(jié)構(gòu)的反演對(duì)稱性破缺的體系中無(wú)需施加電壓,僅通過(guò)光照即可產(chǎn)生直流電流的現(xiàn)象。這一效應(yīng)自從1978年首次提出至今,一直是人們爭(zhēng)相研究的對(duì)象,不僅在傳統(tǒng)半導(dǎo)體中獲得了系統(tǒng)研究,在新興的二維材料中也開(kāi)始引發(fā)廣泛關(guān)注。然而,長(zhǎng)期以來(lái)人們一直認(rèn)為,空間反演對(duì)稱破缺是實(shí)現(xiàn)光學(xué)伽伐尼效應(yīng)的前提條件,所以到目前為止,幾乎所有的光學(xué)伽伐尼效應(yīng)研究的對(duì)象都是空間反演對(duì)稱破缺的體系。
固體所的科研人員在研究結(jié)構(gòu)具有空間反演對(duì)稱、而磁性具有空間反演反對(duì)稱體系的光電流時(shí)發(fā)現(xiàn),在看似平靜的沒(méi)有凈電荷流動(dòng)的“表面”下卻暗藏著電子的定向流動(dòng),而且自旋向上和自旋向下的電子產(chǎn)生的電流總是大小相等、方向相反,從而形成純自旋流。這一結(jié)果首先在三角形鋸齒邊反量子點(diǎn)修飾的扶手椅型石墨烯納米帶中實(shí)現(xiàn)。
進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),在這類體系中光致純自旋流的產(chǎn)生不依賴于光子的能量、光的偏振類型和光的偏振角。這是和以往利用光學(xué)伽伐尼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)純自旋流的類似方案相比所具有的一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)。以往的方案由于均是建立在體系結(jié)構(gòu)必須具有空間反演對(duì)稱破缺的基礎(chǔ)上,因而產(chǎn)生凈電荷流是一個(gè)必然事件,得到純自旋流只是一個(gè)偶然事件,即只能對(duì)光源參數(shù)進(jìn)行精密調(diào)節(jié)而在某些特定的光子能量或特定的偏振角下得到純自旋流。
由于這類體系中事先并不知道在什么光子能量或什么偏振角下會(huì)出現(xiàn)純自旋流,以及稍微偏離其光子能量或偏振角,純自旋流出現(xiàn)的條件就會(huì)消失,因而實(shí)驗(yàn)上非常難以控制。本研究提出的方案則可以完全不受這些光源條件的限制,建立在結(jié)構(gòu)具有空間反演對(duì)稱的基礎(chǔ)上,因此電荷流必定為0,只要有電子的流動(dòng)就必然自動(dòng)為純自旋流。
純自旋流(Pure Spin Current)是自旋電子學(xué)的一個(gè)重要概念,指的是材料或器件中的電子在外加驅(qū)動(dòng)作用下只產(chǎn)生自旋的流動(dòng),而沒(méi)有凈電荷的流動(dòng)。由于純自旋操控具有低功耗的特點(diǎn),在信息的傳輸與存儲(chǔ)中具有重要的意義,近年來(lái)在自旋電子學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。純自旋流的產(chǎn)生一直都是自旋電子學(xué)中的重要課題。本研究工作為可靠地得到純自旋流提出了一種重要的方案。
本研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助,相關(guān)計(jì)算在中科院超算中心合肥分中心完成。
文章鏈接:https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.102.081402 。
圖1. 結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2. 光學(xué)伽伐尼效應(yīng)產(chǎn)生純自旋流原理示意圖。
圖3. 自旋向上、自旋向下和總的光電流的變化:
(a)線偏振光下隨光子能量的變化;
(b)線偏振光下隨偏振角的變化;
(c)橢圓偏振光下隨偏振角的變化。
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