物理所合作發(fā)現(xiàn)二維電子液體的自旋流-電流轉(zhuǎn)換效應

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曉木蟲

物理所合作發(fā)現(xiàn)二維電子液體的自旋流-電流轉(zhuǎn)換效應

摘要: 　　自旋電子學可能導致面向未來的新一代信息技術。自旋流的產(chǎn)生、調(diào)控以及自旋流-電流的轉(zhuǎn)換是自旋電子學學習的核心問題。具有Rashba 形式自旋-軌道耦合的二維電子體系為自旋流的高效調(diào)控提供了新機遇。對于二維電 ...

　　自旋電子學可能導致面向未來的新一代信息技術。自旋流的產(chǎn)生、調(diào)控以及自旋流-電流的轉(zhuǎn)換是自旋電子學學習的核心問題。具有Rashba 形式自旋-軌道耦合的二維電子體系為自旋流的高效調(diào)控提供了新機遇。對于二維電子體系，V. M. Edelstein 預言存在一種新物理效應，即Edelstein效應：與二維體系電流傳輸方向相垂直的方向上會產(chǎn)生純自旋流。與此相反，當自旋流被注入二維電子體系時，二維界面的Rashba效應可使電子發(fā)生與自旋取向有關的定向偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生相應的電信號，這就是所謂的逆Edelstein。
　　Edelstein 效應一經(jīng)提出，就受到了廣泛關注，最近幾年科學工作者先后在具有強自旋-軌道耦合特征的金屬界面和拓撲絕緣體表面/界面觀察到了Edelstein 效應，證實了二維界面在自旋-電荷轉(zhuǎn)換中的獨特作用。但是，夾在兩種絕緣的復雜氧化物之間的二維電子液體是否呈現(xiàn)Edelstein 效應一直沒有答案。此前的學習已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在LaAlO3 (LAO) 和 SrTiO3 (STO) 界面的二維電子液體，表現(xiàn)出一系列獨特物理性質(zhì)，例如二維鐵磁性、二維超導電性以及柵極電壓可調(diào)控的Rashba形式的自旋-軌道耦合。這類電子液體和以往學習的二維電子體系完全不同，由d電子構(gòu)成，不僅呈現(xiàn)強電子關聯(lián)特征，同時具有固有磁矩，從而為自旋流-電流轉(zhuǎn)換學習，也為新奇物理效應的探索提供了理想平臺。最近，中國科學院物理學習所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）磁學實驗室博士學習生張洪瑞、學習員孫繼榮與北京大學物理學院教授韓偉、施靖合作，在LAO/STO二維電子液體中成功地實現(xiàn)了高效自旋流-電流轉(zhuǎn)換：利用鐵磁共振技術實現(xiàn)自旋泵浦，進而注入自旋流到LAO/STO界面，他們發(fā)現(xiàn)自旋流會導致沿界面的橫向電荷累積，形成自旋流-電流轉(zhuǎn)換，即逆Edelstein 效應。進一步學習還發(fā)現(xiàn)，這一效應發(fā)生在室溫附近的寬溫區(qū)內(nèi)，且利用柵極電壓可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)控其轉(zhuǎn)換效率。更有意思的發(fā)現(xiàn)是，自旋流可以穿透很厚的LAO絕緣層，達到界面，即使LAO絕緣層厚到16nm時仍然可以發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)換效應。這一特點完全不同于此前學習的金屬與拓撲絕緣體體系，暗示氧化物中可能存在非常規(guī)的自旋流傳輸機制。這一工作清楚表明氧化物界面支持高效自旋-電荷轉(zhuǎn)換，后者正是自旋電子學關注的核心問題。
　　這一學習發(fā)表在科學進展（Science Advances）上。該工作得到了科技部（2015CB921104， 2016YFA0300701， 2014CB920902）、國家自然科學基金委項目（11574006 and 11520101002）和中科院的支持。