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(xué)研究的核心問題。在上世紀(jì)90年代，V. M. Edelstein 預(yù)言與二維體系電流傳輸方向相垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生純自旋流，即Edelstein效應(yīng)。與此相反，當(dāng)自旋流被注入二維電子體系時(shí)，二維界面的Rashba效應(yīng)可使電子發(fā)生與自旋取向有關(guān)的定向偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，這就是所謂的逆Edelstein效應(yīng)。近年來人們在Rashba界面、二維材料以及拓?fù)洳牧媳砻鎽B(tài)中均觀察到由于Edelstein效應(yīng)和逆Edelstein效應(yīng)產(chǎn)生的高效的自旋流和電荷流相互轉(zhuǎn)換。

　　氧化物二維電子氣體系(LaAlO₃/SrTiO₃)是一個(gè)理想的Rashba界面，是實(shí)現(xiàn)自旋流和電荷流相互轉(zhuǎn)化的理想載體。中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫繼榮團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)教授韓偉合作，利用鐵磁共振實(shí)現(xiàn)自旋泵浦的辦法，在LaAlO₃/SrTiO₃界面觀察到了自旋與電荷流之間的相互轉(zhuǎn)化，其自旋信號(hào)可以持續(xù)到室溫，并且可以利用門電壓進(jìn)行調(diào)控(Sci. Adv. 3, e1602312 (2017))。利用上述辦法雖然觀察到了自旋流與電荷流之間的相互轉(zhuǎn)化，但這其中存在著兩個(gè)問題一直困擾著研究人員，一是自旋泵浦效應(yīng)存在著寄生信號(hào)，影響對真實(shí)信號(hào)的判斷；二是自旋流在傳輸?shù)倪^程中要穿過絕緣的LaAlO₃層，極大地降低了自旋注入效率。

　　經(jīng)過長時(shí)間探索，最近該團(tuán)隊(duì)成功得到了EuO/KTaO₃磁性二維電子氣 (Phys. Rev. Lett. 121, 116803 (2018))。這是首例由磁性絕緣體/高介電絕緣體構(gòu)成的新型二維電子氣。EuO是鐵磁絕緣體，與KTaO₃界面形成導(dǎo)電界面。由于EuO對于KTaO₃界面的磁鄰近誘導(dǎo)效應(yīng)，EuO/KTaO₃ 二維電子氣顯示了明顯的鐵磁特征。同時(shí)，由于磁性EuO與二維電子氣直接接觸，借助這一設(shè)計(jì)可以克服非磁性絕緣層的阻礙作用，實(shí)現(xiàn)從EuO到二維電子氣的直接自旋流注入，并通過二維電子氣的逆Edelstein效應(yīng)實(shí)現(xiàn)自旋流–電荷流的轉(zhuǎn)換。

　　最近，在孫繼榮指導(dǎo)下，博士研究生張洪瑞等人利用熱自旋注入的辦法，通過二維電子氣的轉(zhuǎn)換作用，成功實(shí)現(xiàn)了自旋流-電荷流的高效轉(zhuǎn)化。具體實(shí)驗(yàn)過程是，首先在EuO中建立溫度梯度，利用溫度梯度驅(qū)動(dòng)非平衡磁振子擴(kuò)散，進(jìn)而形成自旋流。由于EuO和二維電子氣的密切接觸，磁振子自旋流直接注入KTaO₃界面層的二維電子氣中。由于界面的Rashba 效應(yīng)，自旋注入引起電子動(dòng)量不對稱分布，從而產(chǎn)生電流輸出。由于沒有非磁性絕緣阻擋層，以及界面二維電子氣的強(qiáng)Edelstein效應(yīng)，自旋-電荷轉(zhuǎn)換是高效的。簡單的比較表明，在同樣磁性層厚度下，低溫下EuO/KTaO₃二維電子氣的自旋塞貝克系數(shù)是YIG/Pt異質(zhì)結(jié)的19倍，而YIG/Pt是公認(rèn)的最優(yōu)自旋塞貝克體系。通過系統(tǒng)研究，他們還進(jìn)一步確定了非平衡磁振子在EuO中的擴(kuò)散長度為16 nm。

　　以往利用自旋泵浦對氧化物界面進(jìn)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(shí)現(xiàn)的，且中間間隔非磁性絕緣層。該研究中自旋流由EuO中非平衡磁振子的擴(kuò)散形成，且直接注入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(dòng)量鎖定效應(yīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，因而是一種新的注入與轉(zhuǎn)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(xué)研究的巨大潛力。

　　該工作中的樣品制備與韓偉合作完成。

　　這一工作發(fā)表在Nano Letters上(Nano Letters 19, 1605 (2019))。該工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目和中科院重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。

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    圖1. EuO/KTaO₃界面的熱自旋注入和逆Edelstein效應(yīng)示意圖。(a) 自旋塞貝克逆Edelstein效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。(b) Rashba型二維電子系統(tǒng)的能帶結(jié)構(gòu)。(c) 處于平衡狀態(tài)和非平衡狀態(tài)的費(fèi)米面。

    圖2. EuO/KTaO₃界面的自旋塞貝克逆Edelstein效應(yīng)，其中EuO厚度是15 nm。(a) 左列是不同溫度下熱電電流隨磁場的變化；水平列是不同加熱功率下熱電電流隨磁場的變化。(b) 熱電電流隨樣品溫度的變化，加熱功率是65 mW。(c) 熱電電流隨加熱功率的變化，樣品溫度是10 K。

    圖3. 不同EuO厚度樣品的自旋塞貝克逆Edelstein效應(yīng)。(a) 不同EuO厚度樣品熱電電流隨磁場的變化，測試溫度是10K，施加的溫度梯度是18.8 K/cm。(b) 熱電電流隨EuO厚度的變化。

    圖4. 自旋塞貝克系數(shù)隨著EuO/KTaO₃和YIG/Pt 異質(zhì)結(jié)中磁性層厚度的變化，溫度固定在10K，Pt的厚度在5~10 nm。