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彩票汇在空間反演對稱結構中實現光致純自旋流
發表日期: 2020-08-24 作者: 陶茜茜
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近日,彩票汇計算物理團隊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展,提出了結構具有空間反演對稱而自旋密度具有空間反演反對稱的體系是利用光學伽伐尼效應獲得純自旋流的理想體系,且純自旋流的産生不依賴于光子的能量、光的偏振類型或偏振角。相關結果以Rapid Communication發表在Physical Review B (Phys. Rev. B102, 081402(R) (2020))

光學伽伐尼效應(Photogalvanic EffectPGE)是一種非線性光學效應,指的是在空間結構的反演對稱性破缺的體系中無需施加電壓,僅通過光照即可産生直流電流的現象。這一效應自從1978年首次提出至今,一直都是人們爭相研究的對象,不僅在傳統半導體中獲得了系統的研究,在新興的二維材料中也開始引發廣泛關注。然而,長期以來人們一直認爲,空間反演對稱破缺是實現光學伽伐尼效應的前提條件。所以到目前爲止,幾乎所有的光學伽伐尼效應研究的對象都是空間反演對稱破缺的體系。

彩票汇的科研人員在研究結構具有空間反演對稱而磁性具有空間反演反對稱體系的光電流時發現,在看似平靜的沒有淨電荷流動的“表面”下卻暗藏著電子的定向流動,而且自旋向上和自旋向下的電子産生的電流總是大小相等,方向相反,從而形成純自旋流。這一結果首先在三角形鋸齒邊反量子點修飾的扶手椅型石墨烯納米帶中實現。進一步的研究發現,在這類體系中光致純自旋流的産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伽伐尼效應實現純自旋流的類似方案相比所具有的一個顯著的優勢。以往的方案由于都是建立在體系結構必須具有空間反演對稱破缺的基礎上,因而産生淨電荷流是一個必然事件,得到純自旋流只是一個偶然事件,即我們只能對光源參數進行精密調節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並不知道在什麽光子能量或什麽偏振角下會出現純自旋流,以及稍微偏離這個光子能量或偏振角,純自旋流出現的條件就會消失,因而實驗上非常難以控制。我們提出的方案則可以完全不受這些光源條件的限制,建立在結構具有空間反演對稱的基礎上,因此電荷流必定爲0,只要有電子的流動就必然自動爲純自旋流。

純自旋流(Pure Spin Current是自旋電子學的一個重要概念,指的是材料或器件中的電子在外加驅動作用下只産生自旋的流動,而沒有淨電荷的流動。由于純自旋操控具有低功耗的特點,在信息的傳輸與存儲中具有重要的意義,近年來在自旋電子學領域引起了廣泛的關注。純自旋流的産生一直都是自旋電子學中的重要課題。本研究工作爲可靠地得到純自旋流提出了一種重要的方案。

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

文章鏈接:https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.102.081402

                                  圖1. 結構示意圖。

                 圖2. 光學伽伐尼效應産生純自旋流原理示意圖。

 

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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