約翰斯·霍普金斯大學&復旦大學Phys. Rev. Lett.：Bi薄膜和Bi/Ag雙層膜上的自旋-電荷轉換

【引言】

純自旋流是指自旋方向相反、數目相同的電子沿相反方向運動所產生的電流。由于純自旋流的輸運沒有凈電荷的流動，不產生焦耳熱，所以利用純自旋流作為信息傳遞的載體可以制作超低功耗的器件。目前，已有多種方法可以產生純自旋流，如自旋霍爾效應、介觀橫向自旋閥（lateral spin valve）的非局域自旋注入、鐵磁共振自旋泵浦（spin pumping）、自旋塞貝克效應等。純自旋流無法直接通過電測量方式探測，但重金屬的純自旋流由于自旋-軌道作用，在垂直于自旋流和自旋取向的橫向方向產生電荷積累，即所謂逆自旋霍爾效應，由此開啟了電探測自旋流的新鑰匙。Bi是元素周期表中最重的非放射性元素，人們很容易想到利用Bi和含Bi材料的強自旋-軌道作用來研究純自旋流。

【成果簡介】

近日，美國約翰斯·霍普金斯大學的Chia-Ling Chien教授與復旦大學金曉峰教授等人在Phys. Rev. Lett.上發表了題為“Spin-to-Charge Conversion in Bi Films and Bi=Ag Bilayers”的文章。在這篇文章中，研究者在室溫下在Bi/Y₃Fe₅O₁₂和Bi/Ag/Y₃Fe₅O₁₂結構中研究了熱注入純自旋流。研究表明，雖然已經將純自旋電流注入Bi層和Bi/Ag雙層，但除了來自Bi層的獨特Nernst信號之外，幾乎沒有可檢測到的自旋-電荷轉換信，并且未檢測到Bi/Ag界面處存在逆Rashba-Edelstein效應。由于Bi是一種良好的熱電材料，因能斯特效應而產生大的橫向熱電壓，但與自旋-電荷轉換無關。

【圖文導讀】

圖一：熱注入純自旋流

(a) 熱注入純自旋流方式

(b) 通過低溫濺射生長的Bi/Ag/YIG/GGG的XRD圖譜

(c) 低溫濺射Bi/YIG和Ag/SiO_x/Si的XRR結果

(d) 通過低溫濺射生長的超晶格Bi/Ag/SiO_x/Si的XRR結果

(e) 在生長期間使用反射高能電子衍射（RHEED）原位表征樣品質量

(f) Bi膜幾乎是單晶的，具有菱形-(111)取向

圖二：橫向熱電壓相對于應用外部磁場的函數

(a) Pt/YIG和Pt/MgO/YIG橫向熱電壓相對于應用外部磁場的函數

(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電壓的幅度

圖三：橫向熱電壓相對面內外磁場的函數

(a) Pt/Ag/YIG、Pt/Ag/MgO/YIG和Ag/YIG的橫向熱電壓相對面內外磁場的函數

(b) Bi/Ag/YIG和Bi/Ag/MgO/YIG

(c) Pt/Ag/YIG/GGG和Bi/Ag/YIG/GGG

【小結】

在這篇文章中，研究者們在室溫下通過LSSE研究了Bi膜和Bi/Ag雙層中的自旋-電荷轉換。盡管Bi中的自旋軌道相互作用很大，以及Bi/Ag界面處存在強Rashba自旋分裂，但研究表明在Bi膜和Bi/Ag雙層中并未發現明顯的自旋-電荷轉換信號。另外，由于Bi中的能斯特效應與磁場的線性關系，存在顯著的磁熱效應。研究結果缺乏Bi/Ag界面的自旋-電荷轉換證據，因此對IREE的理解仍有待探討。

文獻鏈接：Spin-to-Charge Conversion in Bi Films and Bi/Ag Bilayers（Phys. Rev. Lett. 2018，DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.037201）

本文由材料人編輯部計算材料組daoke供稿，材料牛整理編輯。

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