铁磁金属／拓扑绝缘体异质结中自旋流电荷流转换效率

　　自旋流的产生、操作和探测是自旋电子学研究的最基本问题，其中一个关键目标是在室温以上实现电荷流-自旋流的高效转换。电荷流-自旋流转换效率与材料中的自旋-轨道耦合密切相关，通过逆自旋霍尔效应（Inverse Spin Hall effect）和逆埃德尔施泰因效应（Inverse Edelstein effect）可实现自旋流-电荷流的高效转换。

　　由于拓扑绝缘体中存在强自旋-轨道耦合，从而导致“自旋-动量锁定”狄拉克表面态的形成。当三维自旋流从相邻铁磁层注入到具有自旋手性结构的狄拉克表面时，通过逆埃德尔施泰因效应产生二维电荷流。自旋流-电荷流的转换效率等于狄拉克费米子的费米速度和自旋-动量散射时间的乘积，即\(\lambda_{\mathrm{IEEE}}(T I)=j_{c}^{2 D} / j_{S}^{3 D}=v_{F} \tau_{S}\)。除拓扑表面态外，二维电子气(2DEG)的Rashba效应也可以导致自旋劈裂，从而提高自旋流-电荷流的转换效率，\(\lambda_{\mathrm{IFEE}}(\text { Rashba })=j_{c}^{2 D} / j_{S}^{3 D}=\alpha_{R} \tau_{S} / \hbar\)。因此通过调控铁磁金属/拓扑绝缘体异质结界面的能带结构可有效提高自旋流-电荷流的转换效率。

　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M04课题组研究员成昭华团队与美国北卡罗纳州立大学教授孙达力课题组合作，利用M04组内自主搭建的分子束外延-深紫外磁圆二色谱仪-角分辨光电子联合系统（MBE-DUVMCD-ARPES）和孙达力搭建的自旋泵浦探测系统（Spin-pumping measurements），系统地研究了Fe/Bi(n)/Bi2Se3异质结表面态演化对自旋--电荷转换效率的影响，在室温下获得高的自旋-电荷转化效率。首先采用分子束外延MBE技术生长了拓扑绝缘体Bi2Se3并在表面沉积Bi，构筑了拓扑保护狄拉克表面态（DSS）与Rashba 表面态（RSS）二者的共存态，并通过ARPES测量验证了这种共存表面态的存在。其后在Bi/Bi2Se3拓扑异质结的表面上原位生长了15 nm 厚的Fe作为磁性层，利用自旋泵浦探测发现拓扑表面态与Rashba表面态的构筑可以大幅地增加自旋流的注入效率；改变中间层Bi层厚度发现自旋-电荷流的转换效率与Bi厚度呈现非单调可调控的变化，转化效率 λIEE 从纯Bi2Se3的0.12 nm（tBi=0 BL）增加到 0.28nm (tBi= 4 BL）。分析表明自旋流—电荷流转换效率的提高源自从Bi层到Bi2Se3层的电荷转移，导致费米面在DSS和RSS态的位置变化，进而调控了界面处自旋极化势，最终实现了对转化效率λIEE非单调调控。该研究揭示了利用界面强自旋-轨道耦合的能带工程可以大幅提高自旋流-电荷流的转换效率，为实现更低功耗的铁磁金属/拓扑绝缘体自旋电子学器件提供了新的思路。相关研究发表在近期的Nano Letters上。

　　该项研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委和中科院前沿科学研究计划大力资助以及北卡州立大学的支持。

图1.左图：ARPES测量得到的Bi(1BL)/ Bi2Se3能带结构图。右图：利用自旋泵浦手段进行自旋输运测量示意图。

图2. (a) 阻尼因子和自旋混合电导（Inset）随Bi层厚度的变化关系。（b）Spin-charge转化效率和IEE响应电压（Inset）随Bi厚度的变化。（c）对于TISS、RSS以及共存态，其平均自旋极化势和费米面移动之间的关系。底图：各个表面态演化和费米面的位置随着Bi层厚度的关系。