基于光学伽伐尼效应产生纯自旋流研究取得新进展

（文/姜朋）

近日，我研究部郑小宏研究员课题组在利用光学伽伐尼效应产生纯自旋流的研究中，基于结构对称性提出了一个新的鲁棒方案，即在具有空间反演对称性的二维反铁磁体系中实现光生纯自旋流。相关结果以“Two-dimensional centrosymmetrical antiferromagnets for spin photogalvanic devices”为题发表在Nature合作期刊 npj Quantum Information（npj Quantum Information 7, 21 (2021)）上。

实现无净电荷流伴随的纯自旋流是凝聚态物理和自旋电子学中一个非常重要的研究课题。近年来，光学伽伐尼效应在低维体系的研究引起了广泛的关注。有趣的是，当光学伽伐尼效应应用于具有空间反演对称性破缺的强自旋轨道耦合体系或者自旋极化的铁磁体系时，仅需通过光照便可产生自旋极化的光电流或者纯自旋流。这为实现纯自旋流提供了一个新的途径。然而，先前对光学伽伐尼效应诱导纯自旋流的研究更多集中于强自旋轨道耦合的体系或者铁磁体系，且光生自旋极化光电流的一个重要条件是电子能带须具备自旋劈裂特征。而且这些体系都不是原始的材料，都是需经过一定的修饰加工满足一定的对称性才能达到光生纯自旋流的条件，这对实验制备条件提出了非常苛刻的要求，因此实际上要实现光生纯自旋流这个目标十分困难。

为了克服这一困难，郑小宏研究员课题组基于光学伽伐尼效应产生纯自旋流对结构对称性的要求，提出了一个在二维反铁磁体系中产生纯自旋流的鲁棒方案，即基于光学伽伐尼效应在具有中心反演对称性并且自旋极化具有反对称性的二维反铁磁磁体系中产生纯自旋流。这一全新方案首先被成功应用于具有自旋简并能带结构的锯齿形石墨烯纳米带构建的自旋光电器件中。结果发现，纯自旋流的产生既不依赖光子能量和光的偏振特征，也不依赖电子自旋能带是否劈裂和简并。这表明了能带自旋劈裂不是光生纯自旋流的必要条件。此外，通过施加外置电场可以解除器件中电极端的自旋简并特点，所构建的器件能实现自旋电子器件的多种功能：既能产生完全自旋极化电流又能实现纯自旋流。更为重要的是，这种基于光学伽伐尼效应产生纯自旋流的鲁棒方案不仅限于石墨烯纳米带，还可以推广至其它具有自旋极化反演反对称性和结构反演对称性的二维反铁磁体系。这对于发展低功耗的自旋器件设计具有重要的参考意义。

本研究工作得到国家自然科学基金和国家留学基金委的资助，相关计算在中科院超算中心合肥分中心完成。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41534-021-00365-7

图1. 基于带宽为6的锯齿形石墨烯纳米带构建的自旋光电器件（a-b）以及（c）器件的三种栅压构型。

图2. 锯齿形石墨烯纳米带的（a）电荷密度和（b）自旋密度分布图。（c）线偏振光以及（d）椭圆偏振光照射下，自旋分辨光电流和和总的电荷光电流随偏振角以及螺旋角的变化。

图3. 锯齿形石墨烯纳米带体系的纯自旋流产生示意图。