近日，華東師范大學極化材料與器件教育部重點實驗室孫琳研究團隊利用自主搭建的自旋光伏效應測量系統在W/YIG雙層膜中觀察到了光生自旋流。通過實驗觀測結合器件仿真手段，澄清了光生自旋流起源的爭議，揭示了自旋光伏效應的微觀機制。研究成果以“Origin of the light-induced spin currents in heavy metal/magnetic insulator bilayers”為題，于2024年5月22日在線發表于Nature Communications。
圖1.《自然通訊》刊發華東師范大學孫琳研究團隊最新研究成果
電子具有電荷，微電子學就是利用電子的電荷屬性實現信息的存儲、傳輸和處理，這是現代信息產業技術的基礎。隨著微電子器件小型化、多功能化的快速發展，電荷流產生的器件功耗問題日益嚴重，因此亟需尋找新原理和新技術。實際上，電子除了電荷屬性外，還具有自旋屬性。純自旋流可看作自旋向上和向下的兩種電子反向流動形成。不同自旋的電子反向流動，消除了電荷流，從而避免了電荷流的焦耳熱效應。目前，自旋流的產生和操控是自旋電子學的研究熱點之一。自旋流可以通過自旋霍爾效應、自旋泵浦效應、自旋塞貝克效應和自旋光伏效應（SPVE）等物理現象，在具有強自旋軌道耦合的重金屬和磁性絕緣體雙層結構中產生。其中，SPVE可以非接觸式地產生自旋流，相比其它方式，具有獨特的優勢。但是，光照會產生溫度梯度，溫度梯度同樣會激發自旋流，即自旋塞貝克效應。所以，人們對于光生自旋流的起源一直存在爭議。
圖2. 不同厚度W/YIG(180、350、880 nm)樣品在正面光照下的SPVE測量結果
研究團隊系統地研究了光照能量和方向對W/YIG異質結中光生自旋流的影響。結合熱傳導仿真手段，研究發現，低光強引起的自旋流主要來自SPVE產生的光激發自旋流，而高光強引起的自旋流則主要來源于自旋塞貝克效應的光致熱激發自旋流。該工作厘清了SPVE和自旋塞貝克效應的產生條件，并為SPVE的存在提供了實驗證據。圖2展示了不同厚度的W/YIG樣品在正面光照下的SPVE測量結果。
結果顯示，SPVE隨著YIG的厚度增加而增強?；谶@一現象，團隊對SPVE的微觀機制提出了新的解釋：首先，對器件施加光照時，YIG中的單個自旋受到光子的擾動，偏離其平衡狀態。由于該自旋與相鄰自旋之間的相互作用，光子引起的微擾在整個系統中傳播并形成YIG中的自旋波。其次，在W/YIG界面處，自旋角動量從自旋進動（自旋波）轉移到傳導電子的自旋，即在W層形成電子自旋流。最后，W層中的自旋流通過逆自旋霍爾效應轉換為逆自旋霍爾電壓而被檢測。圖3展示了SPVE的物理機制示意圖。該研究可為光生自旋流原型器件的設計提供理論參考。
圖3. 自旋光伏效應的物理機制
該研究成果已發表在Nature Communications 15, 4362 (2024)。華東師范大學為第一完成單位，博士研究生王鴻如為論文的第一作者，孫琳教授為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金委、華東師范大學極化材料與器件教育部重點實驗室和華東師范大學微納加工中心的大力支持。
孫琳團隊主要從事半導體光伏器件和新型光伏效應器件研究，著重研究銅鋅錫硫薄膜光伏電池及光電探測器、鐵電光伏效應及其神經形態器件、自旋光伏效應原型器件。
附：
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48710-6
來源｜物理與電子科學學院、科技處 編輯｜沈婷鈺 編審｜郭文君
