复杂氧化物界面二维电子液体的自旋流-电流转换效应

作者: 张洪瑞、孙继荣、韩伟、施靖

来源: Science Advances

发布日期: 2017-04-26

本文报道了中国科学院物理研究所和北京大学物理学院的研究团队在复杂氧化物界面二维电子液体中实现高效自旋流-电流转换的研究成果。该研究利用铁磁共振技术在LAO/STO界面实现了自旋泵浦,并观察到逆Edelstein效应,表明氧化物界面支持高效自旋-电荷转换,这对自旋电子学的发展具有重要意义。

自旋电子学可能导致面向未来的新一代信息技术。自旋流的产生、调控以及自旋流-电流的转换是自旋电子学研究的核心问题。具有Rashba形式自旋-轨道耦合的二维电子体系为自旋流的高效调控提供了新机遇。对于二维电子体系,V. M. Edelstein预言存在一种新物理效应,即Edelstein效应:与二维体系电流传输方向相垂直的方向上会产生纯自旋流。

与此相反,当自旋流被注入二维电子体系时,二维界面的Rashba效应可使电子发生与自旋取向有关的定向偏转,产生相应的电信号,这就是所谓的逆Edelstein效应。

Edelstein效应一经提出,就受到了广泛关注,最近几年科学工作者先后在具有强自旋-轨道耦合特征的金属界面和拓扑绝缘体表面/界面观察到了Edelstein效应,证实了二维界面在自旋-电荷转换中的独特作用。

但是,夹在两种绝缘的复杂氧化物之间的二维电子液体是否呈现Edelstein效应一直没有答案。此前的研究已经发现,在LaAlO3 (LAO) 和 SrTiO3 (STO) 界面的二维电子液体,表现出一系列独特物理性质,例如二维铁磁性、二维超导电性以及栅极电压可调控的Rashba形式的自旋-轨道耦合。

这类电子液体和以往研究的二维电子体系完全不同,由d电子构成,不仅呈现强电子关联特征,同时具有固有磁矩,从而为自旋流-电流转换研究,也为新奇物理效应的探索提供了理想平台。

最近中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)磁学实验室博士研究生张洪瑞、孙继荣研究员与北京大学物理学院韩伟教授、施靖教授合作,在LAO/STO二维电子液体中成功地实现了高效自旋流-电流转换:利用铁磁共振技术实现自旋泵浦,进而注入自旋流到LAO/STO界面,他们发现自旋流会导致沿界面的横向电荷累积,形成自旋流-电流转换,即逆Edelstein效应。

进一步研究还发现,这一效应发生在室温附近的宽温区内,且利用栅极电压可以在很大的范围内调控其转换效率。更有意思的发现是,自旋流可以穿透很厚的LAO绝缘层,达到界面,即使LAO绝缘层厚到16nm时仍然可以发生明显的转换效应。这一特点完全不同于此前研究的金属与拓扑绝缘体体系,暗示氧化物中可能存在非常规的自旋流传输机制。这一工作清楚表明氧化物界面支持高效自旋-电荷转换,后者正是自旋电子学关注的核心问题。

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