约翰斯·霍普金斯大学&复旦大学Phys. Rev. Lett.：Bi薄膜和Bi/Ag双层膜上的自旋-电荷转换

【引言】

纯自旋流是指自旋方向相反、数目相同的电子沿相反方向运动所产生的电流。由于纯自旋流的输运没有净电荷的流动，不产生焦耳热，所以利用纯自旋流作为信息传递的载体可以制作超低功耗的器件。目前，已有多种方法可以产生纯自旋流，如自旋霍尔效应、介观横向自旋阀（lateral spin valve）的非局域自旋注入、铁磁共振自旋泵浦（spin pumping）、自旋塞贝克效应等。纯自旋流无法直接通过电测量方式探测，但重金属的纯自旋流由于自旋-轨道作用，在垂直于自旋流和自旋取向的横向方向产生电荷积累，即所谓逆自旋霍尔效应，由此开启了电探测自旋流的新钥匙。Bi是元素周期表中最重的非放射性元素，人们很容易想到利用Bi和含Bi材料的强自旋-轨道作用来研究纯自旋流。

【成果简介】

近日，美国约翰斯·霍普金斯大学的Chia-Ling Chien教授与复旦大学金晓峰教授等人在Phys. Rev. Lett.上发表了题为“Spin-to-Charge Conversion in Bi Films and Bi=Ag Bilayers”的文章。在这篇文章中，研究者在室温下在Bi/Y₃Fe₅O₁₂和Bi/Ag/Y₃Fe₅O₁₂结构中研究了热注入纯自旋流。研究表明，虽然已经将纯自旋电流注入Bi层和Bi/Ag双层，但除了来自Bi层的独特Nernst信号之外，几乎没有可检测到的自旋-电荷转换信，并且未检测到Bi/Ag界面处存在逆Rashba-Edelstein效应。由于Bi是一种良好的热电材料，因能斯特效应而产生大的横向热电压，但与自旋-电荷转换无关。

【图文导读】

图一：热注入纯自旋流

(a) 热注入纯自旋流方式

(b) 通过低温溅射生长的Bi/Ag/YIG/GGG的XRD图谱

(c) 低温溅射Bi/YIG和Ag/SiO_x/Si的XRR结果

(d) 通过低温溅射生长的超晶格Bi/Ag/SiO_x/Si的XRR结果

(e) 在生长期间使用反射高能电子衍射（RHEED）原位表征样品质量

(f) Bi膜几乎是单晶的，具有菱形-(111)取向

图二：横向热电压相对于应用外部磁场的函数

(a) Pt/YIG和Pt/MgO/YIG横向热电压相对于应用外部磁场的函数

(b) Bi/YIG和Bi/MgO/YIG

(c) Pt/YIG/GGG和Bi/YIG/GGG

(d) Bi/YIG/GGG和Bi/YIG/GGG

(e) Pt/YIG、Pt/Bi/YIG、Pt/Bi/YIG和W/Bi/YIG

(f) ISHE电压的幅度

图三：横向热电压相对面内外磁场的函数

(a) Pt/Ag/YIG、Pt/Ag/MgO/YIG和Ag/YIG的横向热电压相对面内外磁场的函数

(b) Bi/Ag/YIG和Bi/Ag/MgO/YIG

(c) Pt/Ag/YIG/GGG和Bi/Ag/YIG/GGG

【小结】

在这篇文章中，研究者们在室温下通过LSSE研究了Bi膜和Bi/Ag双层中的自旋-电荷转换。尽管Bi中的自旋轨道相互作用很大，以及Bi/Ag界面处存在强Rashba自旋分裂，但研究表明在Bi膜和Bi/Ag双层中并未发现明显的自旋-电荷转换信号。另外，由于Bi中的能斯特效应与磁场的线性关系，存在显着的磁热效应。研究结果缺乏Bi/Ag界面的自旋-电荷转换证据，因此对IREE的理解仍有待探讨。

文献链接：Spin-to-Charge Conversion in Bi Films and Bi/Ag Bilayers（Phys. Rev. Lett. 2018，DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.037201）

本文由材料人编辑部计算材料组daoke供稿，材料牛整理编辑。

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