合肥研究院在空間反演對稱結構中實現光致純自旋流

　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所計算物理團隊研究員鄭小宏課題組在光致純自旋流研究中獲進展，提出結構具有空間反演對稱而自旋密度具有空間反演反對稱的體系是利用光學伽伐尼效應獲得純自旋流的理想體系，純自旋流的產生不依賴于光子的能量、光的偏振類型或偏振角。相關研究結果發表在Physical Review B上。

　　光學伽伐尼效應（Photogalvanic Effect，PGE）是一種非線性光學效應，指在空間結構的反演對稱性破缺的體系中無需施加電壓，僅通過光照即可產生直流電流的現象，其在傳統半導體中得到系統研究，在新興的二維材料中也開始引發關注。但該效應自提出至今，一直受爭議，科學家認為空間反演對稱破缺是實現光學伽伐尼效應的前提條件，因此到目前為止，幾乎所有的光學伽伐尼效應研究的對象都是空間反演對稱破缺的體系。

　　研究人員在研究結構具有空間反演對稱、而磁性具有空間反演反對稱體系的光電流時發現，在看似平靜的沒有凈電荷流動的“表面”下卻暗藏電子的定向流動，自旋向上和自旋向下的電子產生的電流大小相等、方向相反，從而形成純自旋流。這一結果首先在三角形鋸齒邊反量子點修飾的扶手椅型石墨烯納米帶中實現。

　　研究人員進一步發現，在這類體系中，光致純自旋流的產生不依賴于光子的能量、光的偏振類型和偏振角。這是和以往利用光學伽伐尼效應實現純自旋流的類似方案相比具有的優勢。以往方案由于建立在體系結構必須具有空間反演對稱破缺的基礎上，因而產生凈電荷流是必然事件，得到純自旋流只是偶然事件，即只能對光源參數進行精密調節而在某些特定的光子能量或特定的偏振角下得到純自旋流。

　　由于這類體系中事先并不知道在什么光子能量或什么偏振角下會出現純自旋流，以及稍微偏離其光子能量或偏振角，純自旋流出現的條件就會消失，因而實驗上難以控制。該研究提出的方案不受這些光源條件的限制，建立在結構具有空間反演對稱的基礎上，因此電荷流為0，只要有電子的流動就自動為純自旋流。

　　純自旋流（Pure Spin Current）是自旋電子學的一個概念，指材料或器件中的電子在外加驅動作用下只產生自旋的流動，而沒有凈電荷的流動。由于純自旋操控具有低功耗的特點，在信息的傳輸與存儲中具有重要意義，近年來在自旋電子學領域引發關注，純自旋流的產生是自旋電子學中的重要課題。該研究為可靠地得到純自旋流提出了方案。

　　研究工作得到國家自然科學基金的資助，相關計算在中科院超級計算中心合肥分中心完成。

　　論文鏈接 

　　圖1.結構示意圖

　　圖2.光學伽伐尼效應產生純自旋流原理示意圖

　　圖3.自旋向上、自旋向下和總的光電流的變化：（a）線偏振光下隨光子能量的變化；（b）線偏振光下隨偏振角的變化；（c）橢圓偏振光下隨偏振角的變化