约翰斯·霍普金斯大学&复旦大学Phys. Rev. Lett.:Bi薄膜和Bi/Ag双层膜上的自旋-电荷转换
【引言】
纯自旋流是指自旋方向相反、数目相同的电子沿相反方向运动所产生的电流。由于纯自旋流的输运没有净电荷的流动,不产生焦耳热,所以利用纯自旋流作为信息传递的载体可以制作超低功耗的器件。目前,已有多种方法可以产生纯自旋流,如自旋霍尔效应、介观横向自旋阀(lateral spin valve)的非局域自旋注入、铁磁共振自旋泵浦(spin pumping)、自旋塞贝克效应等。纯自旋流无法直接通过电测量方式探测,但重金属的纯自旋流由于自旋-轨道作用,在垂直于自旋流和自旋取向的横向方向产生电荷积累,即所谓逆自旋霍尔效应,由此开启了电探测自旋流的新钥匙。Bi是元素周期表中最重的非放射性元素,人们很容易想到利用Bi和含Bi材料的强自旋-轨道作用来研究纯自旋流。
【成果简介】
近日,美国约翰斯·霍普金斯大学的Chia-Ling Chien教授与复旦大学金晓峰教授等人在Phys. Rev. Lett.上发表了题为“Spin-to-Charge Conversion in Bi Films and Bi=Ag Bilayers”的文章。在这篇文章中,研究者在室温下在Bi/Y3Fe5O12和Bi/Ag/Y3Fe5O12结构中研究了热注入纯自旋流。研究表明,虽然已经将纯自旋电流注入Bi层和Bi/Ag双层,但除了来自Bi层的独特Nernst信号之外,几乎没有可检测到的自旋-电荷转换信,并且未检测到Bi/Ag界面处存在逆Rashba-Edelstein效应。由于Bi是一种良好的热电材料,因能斯特效应而产生大的横向热电压,但与自旋-电荷转换无关。
【图文导读】
图一:热注入纯自旋流
(a) 热注入纯自旋流方式
(b) 通过低温溅射生长的Bi/Ag/YIG/GGG的XRD图谱
(c) 低温溅射Bi/YIG和Ag/SiOx/Si的XRR结果
(d) 通过低温溅射生长的超晶格Bi/Ag/SiOx/Si的XRR结果
(e) 在生长期间使用反射高能电子衍射(RHEED)原位表征样品质量
(f) Bi膜几乎是单晶的,具有菱形-(111)取向
图二:横向热电压相对于应用外部磁场的函数
(a) Pt/YIG和Pt/MgO/YIG横向热电压相对于应用外部磁场的函数
(b) Bi/YIG和Bi/MgO/YIG
(c) Pt/YIG/GGG和Bi/YIG/GGG
(d) Bi/YIG/GGG和Bi/YIG/GGG
(e) Pt/YIG、Pt/Bi/YIG、Pt/Bi/YIG和W/Bi/YIG
(f) ISHE电压的幅度
图三:横向热电压相对面内外磁场的函数
(a) Pt/Ag/YIG、Pt/Ag/MgO/YIG和Ag/YIG的横向热电压相对面内外磁场的函数
(b) Bi/Ag/YIG和Bi/Ag/MgO/YIG
(c) Pt/Ag/YIG/GGG和Bi/Ag/YIG/GGG
【小结】
在这篇文章中,研究者们在室温下通过LSSE研究了Bi膜和Bi/Ag双层中的自旋-电荷转换。尽管Bi中的自旋轨道相互作用很大,以及Bi/Ag界面处存在强Rashba自旋分裂,但研究表明在Bi膜和Bi/Ag双层中并未发现明显的自旋-电荷转换信号。另外,由于Bi中的能斯特效应与磁场的线性关系,存在显着的磁热效应。研究结果缺乏Bi/Ag界面的自旋-电荷转换证据,因此对IREE的理解仍有待探讨。
文献链接:Spin-to-Charge Conversion in Bi Films and Bi/Ag Bilayers(Phys. Rev. Lett. 2018,DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.037201)
本文由材料人编辑部计算材料组daoke供稿,材料牛整理编辑。
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