自旋流的產(chǎn)生、操作和探測(cè)是自旋電子學(xué)研究的最基本問(wèn)題，其中一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是在室溫以上實(shí)現(xiàn)電荷流-自旋流的高效轉(zhuǎn)換。電荷流-自旋流轉(zhuǎn)換效率與材料中的自旋-軌道耦合密切相關(guān)，通過(guò)逆自旋霍爾效應(yīng)（Inverse Spin Hall effect）和逆埃德?tīng)柺┨┮蛐?yīng)（Inverse Edelstein effect）可實(shí)現(xiàn)自旋流-電荷流的高效轉(zhuǎn)換。

　　由于拓?fù)浣^緣體中存在強(qiáng)自旋-軌道耦合，從而導(dǎo)致“自旋-動(dòng)量鎖定”狄拉克表面態(tài)的形成。當(dāng)三維自旋流從相鄰鐵磁層注入到具有自旋手性結(jié)構(gòu)的狄拉克表面時(shí)，通過(guò)逆埃德?tīng)柺┨┮蛐?yīng)產(chǎn)生二維電荷流。自旋流-電荷流的轉(zhuǎn)換效率等于狄拉克費(fèi)米子的費(fèi)米速度和自旋-動(dòng)量散射時(shí)間的乘積，即\(\lambda_{\mathrm{IEEE}}(T I)=j_{c}^{2 D} / j_{S}^{3 D}=v_{F} \tau_{S}\)。除拓?fù)浔砻鎽B(tài)外，二維電子氣(2DEG)的Rashba效應(yīng)也可以導(dǎo)致自旋劈裂，從而提高自旋流-電荷流的轉(zhuǎn)換效率，\(\lambda_{\mathrm{IFEE}}(\text { Rashba })=j_{c}^{2 D} / j_{S}^{3 D}=\alpha_{R} \tau_{S} / \hbar\)。因此通過(guò)調(diào)控鐵磁金屬/拓?fù)浣^緣體異質(zhì)結(jié)界面的能帶結(jié)構(gòu)可有效提高自旋流-電荷流的轉(zhuǎn)換效率。

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室M04課題組研究員成昭華團(tuán)隊(duì)與美國(guó)北卡羅納州立大學(xué)教授孫達(dá)力課題組合作，利用M04組內(nèi)自主搭建的分子束外延-深紫外磁圓二色譜儀-角分辨光電子聯(lián)合系統(tǒng)（MBE-DUVMCD-ARPES）和孫達(dá)力搭建的自旋泵浦探測(cè)系統(tǒng)（Spin-pumping measurements），系統(tǒng)地研究了Fe/Bi(n)/Bi₂Se₃異質(zhì)結(jié)表面態(tài)演化對(duì)自旋--電荷轉(zhuǎn)換效率的影響，在室溫下獲得高的自旋-電荷轉(zhuǎn)化效率。首先采用分子束外延MBE技術(shù)生長(zhǎng)了拓?fù)浣^緣體Bi₂Se₃并在表面沉積Bi，構(gòu)筑了拓?fù)浔Ｗo(hù)狄拉克表面態(tài)（DSS）與Rashba 表面態(tài)（RSS）二者的共存態(tài)，并通過(guò)ARPES測(cè)量驗(yàn)證了這種共存表面態(tài)的存在。其后在Bi/Bi₂Se₃拓?fù)洚愘|(zhì)結(jié)的表面上原位生長(zhǎng)了15 nm 厚的Fe作為磁性層，利用自旋泵浦探測(cè)發(fā)現(xiàn)拓?fù)浔砻鎽B(tài)與Rashba表面態(tài)的構(gòu)筑可以大幅地增加自旋流的注入效率；改變中間層Bi層厚度發(fā)現(xiàn)自旋-電荷流的轉(zhuǎn)換效率與Bi厚度呈現(xiàn)非單調(diào)可調(diào)控的變化，轉(zhuǎn)化效率 λ_IEE 從純Bi₂Se₃的0.12 nm（t_Bi=0 BL）增加到 0.28nm (t_Bi= 4 BL）。分析表明自旋流—電荷流轉(zhuǎn)換效率的提高源自從Bi層到Bi₂Se₃層的電荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致費(fèi)米面在DSS和RSS態(tài)的位置變化，進(jìn)而調(diào)控了界面處自旋極化勢(shì)，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)化效率λ_IEE非單調(diào)調(diào)控。該研究揭示了利用界面強(qiáng)自旋-軌道耦合的能帶工程可以大幅提高自旋流-電荷流的轉(zhuǎn)換效率，為實(shí)現(xiàn)更低功耗的鐵磁金屬/拓?fù)浣^緣體自旋電子學(xué)器件提供了新的思路。相關(guān)研究發(fā)表在近期的Nano Letters上。

　　該項(xiàng)研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院前沿科學(xué)研究計(jì)劃大力資助以及北卡州立大學(xué)的支持。

　　文章鏈接 

　　圖1.左圖：ARPES測(cè)量得到的Bi(1BL)/ Bi₂Se₃能帶結(jié)構(gòu)圖。右圖：利用自旋泵浦手段進(jìn)行自旋輸運(yùn)測(cè)量示意圖。

　　圖2. (a) 阻尼因子和自旋混合電導(dǎo)（Inset）隨Bi層厚度的變化關(guān)系。（b）Spin-charge轉(zhuǎn)化效率和IEE響應(yīng)電壓（Inset）隨Bi厚度的變化。（c）對(duì)于TISS、RSS以及共存態(tài)，其平均自旋極化勢(shì)和費(fèi)米面移動(dòng)之間的關(guān)系。底圖：各個(gè)表面態(tài)演化和費(fèi)米面的位置隨著Bi層厚度的關(guān)系。