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彩8彩票-首页 M03組供稿 第17期 2019年03月18日
北京凝聚態物理國家研究中心
二維電子氣的高效自旋-電荷轉換效應

  自旋流的产生、调控以及自旋流-电流的转换是自旋电子学研究的核心问题。在上世纪90年代,V. M. Edelstein 预言与二维体系电流传输方向相垂直的方向上会产生纯自旋流,即,Edelstein效应。与此相反,当自旋流被注入二维电子体系时,二维界面的Rashba效应可使电子发生与自旋取向有关的定向偏转,产生相应的电信号,这就是所谓的逆Edelstein效应。近年来人们在Rashba界面、二维材料以及拓扑材料表面态中均观察到由于Edelstein效应和逆Edelstein效应产生的高效的自旋流和电荷流相互转换。
  氧化物二維電子氣體系(LaAlO3/SrTiO3)是一个理想的Rashba界面,是实现自旋流和电荷流相互转化的理想载体。彩8彩票-首页/北京凝聚態物理國家研究中心磁学国家重点实验室孙继荣团队与北京大学韩伟教授合作,利用铁磁共振实现自旋泵浦的办法,在LaAlO3/SrTiO3界面观察到了自旋与电荷流之间的相互转化,其自旋信号可以持续到室温,并且可以利用门电压进行调控(Sci. Adv. 3, e1602312 (2017))。利用上述办法虽然观察到了自旋流与电荷流之间的相互转化,但这其中存在着两个问题一直困扰着研究人员,一是自旋泵浦效应存在着寄生信号,影响对真实信号的判断;二是自旋流在传输的过程中要穿过绝缘的LaAlO3層,極大地降低了自旋注入效率。
  經過長時間探索,最近該團隊成功得到了EuO/KTaO3磁性二维电子气 (Phys. Rev. Lett. 121, 116803 (2018))。这是首例由磁性绝缘体/高介电绝缘体构成的新型二维电子气。EuO是铁磁绝缘体,与KTaO3界面形成導電界面。由于EuO對于KTaO3界面的磁鄰近誘導效應,EuO/KTaO3 二維電子氣顯示了明顯的鐵磁特征。同時,由于磁性EuO與二維電子氣直接接觸,借助這一設計可以克服非磁性絕緣層的阻礙作用,實現從EuO到二維電子氣的直接自旋流注入,並通過二維電子氣的逆Edelstein效應實現自旋流–電荷流的轉換。
  最近,在孙继荣研究員指导下,博士研究生张洪瑞等人利用热自旋注入的办法,通过二维电子气的转换作用,成功实现了自旋流-电荷流的高效转化。具体实验过程是,首先在EuO中建立温度梯度,利用温度梯度驱动非平衡磁振子扩散,进而形成自旋流。由于EuO和二维电子气的密切接触,磁振子自旋流直接注入到KTaO3界面层的二维电子气中。由于界面的Rashba 效应,自旋注入引起电子动量不对称分布,从而产生电流输出。由于没有非磁性绝缘阻挡层,以及界面二维电子气的强Edelstein效应,自旋-电荷转换是高效的。简单的比较表明,在同样磁性层厚度下,低温下EuO/KTaO3二维电子气的自旋塞贝克系数是YIG/Pt异质结的19倍,而YIG/Pt是公认的最优自旋塞贝克体系。通过系统研究,他们还进一步确定了非平衡磁振子在EuO中的扩散长度为16 nm。
  以往利用自旋泵浦對氧化物界面進行自旋注入,是通過在磁性層與二維電子氣之間交換電子實現的,且中間間隔非磁性絕緣層。本研究中自旋流由EuO中非平衡磁振子的擴散形成,且直接注入到EuO/KTaO3界面,通過磁振子與界面電子的交換作用及自旋-電子動量鎖定效應實現轉換,因而是一種新的注入與轉換方式。這一工作揭示了磁性二維電子氣的新特性及氧化物自旋電子學研究的巨大潛力。
  本工作中的樣品制備與北京大學韓偉教授合作完成。
  这一工作发表在Nano Letters上 (Nano Letters 19, 1605 (2019))。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委项目和中国科学院重点项目的支持。

文章鏈接:https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.8b04509

图1. EuO/KTaO3界面的热自旋注入和逆Edelstein效应示意图。(a) 自旋塞贝克逆Edelstein效应的实验装置图。(b) Rashba型二维电子系统的能带结构。(c) 处于平衡状态和非平衡状态的费米面。
图2. EuO/KTaO3界面的自旋塞贝克逆Edelstein效应,其中EuO厚度是15 nm。(a) 左列是不同温度下热电电流随磁场的变化;水平列是不同加热功率下热电电流随磁场的变化。(b) 热电电流随样品温度的变化,加热功率是65 mW。(c) 热电电流随加热功率的变化,样品温度是10 K。
图3. 不同EuO厚度样品的自旋塞贝克逆Edelstein效应 (a) 不同EuO厚度样品热电电流随磁场的变化,测试温度是10K,施加的温度梯度是18.8 K/cm。(b) 热电电流随EuO厚度的变化。
图4. 自旋塞贝克系数随着EuO/KTaO3和YIG/Pt 异质结中磁性层厚度的变化,温度固定在10K,Pt的厚度在5~10 nm。
下載附件>> Nano Lett. 19, 1605 (2019).pdf
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