最新 Nature Materials：Te NWs中柵極可調和手性依賴的電荷-自旋轉換

一、【導讀】

自旋霍爾效應（spin Hall effect）等電荷到自旋相互轉換的現象能夠在沒有磁性元件的情況下產生自旋電流，這是邁向下一代自旋電子器件的基本一步。埃德爾斯坦效應（Edelstein effect），也稱為反自旋電流效應，出現在具有強自旋軌道耦合和反轉對稱破缺的材料中，如應變半導體和拓撲絕緣子表面。在這些系統中，電子的自旋被鎖定在與其動量垂直的方向上，因此電荷電流的流動導致垂直取向上的均勻自旋極化。進一步降低晶體對稱性可以在非常規方向上產生自旋極化，并為器件帶來新的基本效應和配置。手性材料（chiral materials）是對稱性破缺的終極表現，缺乏反轉和鏡像對稱性。在手性無機晶體中，很少研究手性誘導自旋選擇性現象。碲（Te）是一種具有強自旋軌道耦合和手性結構的材料，可在納米線（NWs）或具有良好導電性的薄片中合成，是研究非常規手性電荷-自旋轉換的理想材料。通過光學和核磁共振測量，目前僅在塊狀Te中提供了電流誘導自旋極化的跡象，但這些檢測技術和毫米大小晶體的使用不適合集成到全電子納米器件中。

二、【成果掠影】

近日，西班牙CIC nanoGUNE BRTA的Luis E. Hueso、Fèlix Casanova和Marco Gobbi（共同通訊作者）等人報道了天然空穴摻雜單晶Te NWs中的手性依賴和柵極可調的Edelstein效應。通過記錄依賴于電流和外加磁場的相對方向的單向磁阻（unidirectional magnetoresistance, UMR）來檢測凈自旋極化。測試結果表明，與Rashba系統和拓撲絕緣體不同，Te中的電荷電流會導致自旋極化沿電流路徑定向，并且對于左旋或右旋NWs指向相反的方向。測量的UMR是基于手性依賴的Edelstein效應來解釋，該效應由Te價帶H點處的徑向自旋織構引起，而該織構在空穴摻雜Te NWs中占主導地位。使用傳統的UMR品質因數，據所知Te中的這種效應是目前觀察到的最大值。更重要的是，Te NWs的靜電柵極使得能夠調控其Edelstein效應，從而將UMR振幅的電調諧為6倍。手性Te NWs中自旋極化的全電產生、控制和檢測為固態自旋電子器件的的手性設計開辟了道路。研究成果以題為“Gate-tuneable and chirality-dependent charge-to-spin conversion in tellurium nanowires”發布在國際著名期刊Nature Materials上。

本文所有圖來源于? 2022 Springer Nature Limited。

三、【核心創新】

√利用電流和外加磁場的相對方向的單向磁電阻（UMR）檢測了凈自旋極化。

√使用傳統的UMR品質因數，在Te NWs中觀察到Edelstein效應的最大值。

四、【數據概覽】

圖一、Te NWs的晶體學表征、電子能帶結構和自旋織構
（a）Te NWs的掃描電子顯微鏡圖像；

（b）三角形Te的左/右旋晶體結構的3D示意圖；

（c）Te薄片的STEM圖像；

（d）兩個具有相反手性的Te NWs的晶體結構示意圖和STEM圖；

（e）H點周圍的Te能帶結構；

（f）在ε=?0.1 eV處，左/右旋Te的等能輪廓

圖二、Te NW的電磁特性
（a）傳統的Te NWs與Pt觸點接觸的光學圖像；

（b）在零磁場下，四探針電阻的溫度依賴性；

（c）Te磁阻在不同溫度下沿水平和橫向手性z軸測量值；

（d）R^avg在不同磁場和T= 0 K下的角度依賴性

圖三、右旋和左旋Te NWs中的單向磁阻
（a-b）代表性負責UMR的Edelstein機制的示意圖；

（c）樣品示意圖和定義磁場B相對于電流方向的角度α的測量配置；

（d-e）在9 T和10 K測量的兩個具有相反手性的Te NWs的磁阻的角度依賴性；

（f-i）與角度相關的UMR，作為施加電流的函數和磁場的函數

圖四、單向磁阻的柵極調制及與理論比較
（a）對于施加不同柵極電壓V_G的左旋Te NWs，在B=9 T、T=10 K和±I_z=±1 μA測量的歸一化R^diff角度依賴性；

（b）歸一化信號幅度的柵極電壓依賴性；

（c）電流密度通過Edelstein效應對不同費米能量位置誘導的每個晶胞自旋（S_z）

五、【成果啟示】

綜上所述，作者報道了單晶Te NWs中手性相關自旋極化的全電產生、調控和檢測。手性起源的自旋極化產生的UMR比已報道的其他非手性系統的大一到幾個數量級，同時還可以通過靜電柵極進行調控UMR。這些效應是由來自Te徑向自旋織構的Edelstein效應引起。與傳統的Rashba系統不同，并且在有機分子中觀察到的手性誘導自旋選擇性，誘導自旋極化沿電流方向取向。作者認為基于Edelstein效應對這種現象的描述可能會擴展到其他具有平移對稱性的手性系統。該研究為無機手性Te NWs中結構手性和電子自旋之間的相互作用奠定了堅實的基礎，從而能夠設計非常規的全電器件。

文獻鏈接：Gate-tuneable and chirality-dependent charge-to-spin conversion in tellurium nanowires. Nature Materials, 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01211-7.

本文由CQR編譯。

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