鐵磁金屬／拓撲絕緣體異質結中自旋流電荷流轉換效率

　　自旋流的產生、操作和探測是自旋電子學研究的最基本問題，其中一個關鍵目標是在室溫以上實現電荷流-自旋流的高效轉換。電荷流-自旋流轉換效率與材料中的自旋-軌道耦合密切相關，通過逆自旋霍爾效應（Inverse Spin Hall effect）和逆埃德爾施泰因效應（Inverse Edelstein effect）可實現自旋流-電荷流的高效轉換。

　　由于拓撲絕緣體中存在強自旋-軌道耦合，從而導致“自旋-動量鎖定”狄拉克表面態的形成。當三維自旋流從相鄰鐵磁層注入到具有自旋手性結構的狄拉克表面時，通過逆埃德爾施泰因效應產生二維電荷流。自旋流-電荷流的轉換效率等于狄拉克費米子的費米速度和自旋-動量散射時間的乘積，即\(\lambda_{\mathrm{IEEE}}(T I)=j_{c}^{2 D} / j_{S}^{3 D}=v_{F} \tau_{S}\)。除拓撲表面態外，二維電子氣(2DEG)的Rashba效應也可以導致自旋劈裂，從而提高自旋流-電荷流的轉換效率，\(\lambda_{\mathrm{IFEE}}(\text { Rashba })=j_{c}^{2 D} / j_{S}^{3 D}=\alpha_{R} \tau_{S} / \hbar\)。因此通過調控鐵磁金屬/拓撲絕緣體異質結界面的能帶結構可有效提高自旋流-電荷流的轉換效率。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M04課題組研究員成昭華團隊與美國北卡羅納州立大學教授孫達力課題組合作，利用M04組內自主搭建的分子束外延-深紫外磁圓二色譜儀-角分辨光電子聯合系統（MBE-DUVMCD-ARPES）和孫達力搭建的自旋泵浦探測系統（Spin-pumping measurements），系統地研究了Fe/Bi(n)/Bi2Se3異質結表面態演化對自旋--電荷轉換效率的影響，在室溫下獲得高的自旋-電荷轉化效率。首先采用分子束外延MBE技術生長了拓撲絕緣體Bi2Se3并在表面沉積Bi，構筑了拓撲保護狄拉克表面態（DSS）與Rashba 表面態（RSS）二者的共存態，并通過ARPES測量驗證了這種共存表面態的存在。其后在Bi/Bi2Se3拓撲異質結的表面上原位生長了15 nm 厚的Fe作為磁性層，利用自旋泵浦探測發現拓撲表面態與Rashba表面態的構筑可以大幅地增加自旋流的注入效率；改變中間層Bi層厚度發現自旋-電荷流的轉換效率與Bi厚度呈現非單調可調控的變化，轉化效率 λIEE 從純Bi2Se3的0.12 nm（tBi=0 BL）增加到 0.28nm (tBi= 4 BL）。分析表明自旋流—電荷流轉換效率的提高源自從Bi層到Bi2Se3層的電荷轉移，導致費米面在DSS和RSS態的位置變化，進而調控了界面處自旋極化勢，最終實現了對轉化效率λIEE非單調調控。該研究揭示了利用界面強自旋-軌道耦合的能帶工程可以大幅提高自旋流-電荷流的轉換效率，為實現更低功耗的鐵磁金屬/拓撲絕緣體自旋電子學器件提供了新的思路。相關研究發表在近期的Nano Letters上。

　　該項研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委和中科院前沿科學研究計劃大力資助以及北卡州立大學的支持。

圖1.左圖：ARPES測量得到的Bi(1BL)/ Bi2Se3能帶結構圖。右圖：利用自旋泵浦手段進行自旋輸運測量示意圖。

圖2. (a) 阻尼因子和自旋混合電導（Inset）隨Bi層厚度的變化關系。（b）Spin-charge轉化效率和IEE響應電壓（Inset）隨Bi厚度的變化。（c）對于TISS、RSS以及共存態，其平均自旋極化勢和費米面移動之間的關系。底圖：各個表面態演化和費米面的位置隨著Bi層厚度的關系。