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中国科学院物理研究所 M03组供稿 第10期 2017年04月10日
北京凝聚态物理国家实验室
复杂氧化物界面二维电子液体的自旋流-电流转换效应
  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。
  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。
  这一研究发表在Science Advances 上。该工作得到了科技部(2015CB921104, 2016YFA0300701, 2014CB920902)、国家自然科学基金委项目(11574006 and 11520101002)和中国科学院的支持。
  文章链接:http://advances.sciencemag.org/content/3/3/e1602312.full
图1. SrTiO3 与LaAlO3 界面二维电子液体能带结构、Rashba形式的自旋-轨道耦合以及自旋泵浦示意图。
图2. LAO/STO二维电子液体逆Edelstein 效应的温度依赖关系。LAO厚度为6 单胞(约2.4nm)。
图3. 栅极电压对二维电子液体自旋-电荷转换效应的调制。LAO 厚度3 个单胞(约1.2nm)
下载附件>> Science Advances-M03.pdf
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