最新 Nature Materials：Te NWs中栅极可调和手性依赖的电荷-自旋转换

小胖纸 2年前 (2022-03-13) 2515浏览

一、【导读】

自旋霍尔效应（spin Hall effect）等电荷到自旋相互转换的现象能够在没有磁性元件的情况下产生自旋电流，这是迈向下一代自旋电子器件的基本一步。埃德尔斯坦效应（Edelstein effect），也称为反自旋电流效应，出现在具有强自旋轨道耦合和反转对称破缺的材料中，如应变半导体和拓扑绝缘子表面。在这些系统中，电子的自旋被锁定在与其动量垂直的方向上，因此电荷电流的流动导致垂直取向上的均匀自旋极化。进一步降低晶体对称性可以在非常规方向上产生自旋极化，并为器件带来新的基本效应和配置。手性材料（chiral materials）是对称性破缺的终极表现，缺乏反转和镜像对称性。在手性无机晶体中，很少研究手性诱导自旋选择性现象。碲（Te）是一种具有强自旋轨道耦合和手性结构的材料，可在纳米线（NWs）或具有良好导电性的薄片中合成，是研究非常规手性电荷-自旋转换的理想材料。通过光学和核磁共振测量，目前仅在块状Te中提供了电流诱导自旋极化的迹象，但这些检测技术和毫米大小晶体的使用不适合集成到全电子纳米器件中。

二、【成果掠影】

近日，西班牙CIC nanoGUNE BRTA的Luis E. Hueso、Fèlix Casanova和Marco Gobbi（共同通讯作者）等人报道了天然空穴掺杂单晶Te NWs中的手性依赖和栅极可调的Edelstein效应。通过记录依赖于电流和外加磁场的相对方向的单向磁阻（unidirectional magnetoresistance, UMR）来检测净自旋极化。测试结果表明，与Rashba系统和拓扑绝缘体不同，Te中的电荷电流会导致自旋极化沿电流路径定向，并且对于左旋或右旋NWs指向相反的方向。测量的UMR是基于手性依赖的Edelstein效应来解释，该效应由Te价带H点处的径向自旋织构引起，而该织构在空穴掺杂Te NWs中占主导地位。使用传统的UMR品质因数，据所知Te中的这种效应是目前观察到的最大值。更重要的是，Te NWs的静电栅极使得能够调控其Edelstein效应，从而将UMR振幅的电调谐为6倍。手性Te NWs中自旋极化的全电产生、控制和检测为固态自旋电子器件的的手性设计开辟了道路。研究成果以题为“Gate-tuneable and chirality-dependent charge-to-spin conversion in tellurium nanowires”发布在国际著名期刊Nature Materials上。

本文所有图来源于© 2022 Springer Nature Limited。

三、【核心创新】

√利用电流和外加磁场的相对方向的单向磁电阻（UMR）检测了净自旋极化。

√使用传统的UMR品质因数，在Te NWs中观察到Edelstein效应的最大值。

四、【数据概览】

图一、Te NWs的晶体学表征、电子能带结构和自旋织构
（a）Te NWs的扫描电子显微镜图像；

（b）三角形Te的左/右旋晶体结构的3D示意图；

（c）Te薄片的STEM图像；

（d）两个具有相反手性的Te NWs的晶体结构示意图和STEM图；

（e）H点周围的Te能带结构；

（f）在ε=−0.1 eV处，左/右旋Te的等能轮廓

图二、Te NW的电磁特性
（a）传统的Te NWs与Pt触点接触的光学图像；

（b）在零磁场下，四探针电阻的温度依赖性；

（c）Te磁阻在不同温度下沿水平和横向手性z轴测量值；

（d）Ravg在不同磁场和T= 0 K下的角度依赖性

图三、右旋和左旋Te NWs中的单向磁阻
（a-b）代表性负责UMR的Edelstein机制的示意图；

（c）样品示意图和定义磁场B相对于电流方向的角度α的测量配置；

（d-e）在9 T和10 K测量的两个具有相反手性的Te NWs的磁阻的角度依赖性；

（f-i）与角度相关的UMR，作为施加电流的函数和磁场的函数

图四、单向磁阻的栅极调制及与理论比较
（a）对于施加不同栅极电压VG的左旋Te NWs，在B=9 T、T=10 K和±Iz=±1 μA测量的归一化Rdiff角度依赖性；

（b）归一化信号幅度的栅极电压依赖性；

（c）电流密度通过Edelstein效应对不同费米能量位置诱导的每个晶胞自旋（Sz）

五、【成果启示】

综上所述，作者报道了单晶Te NWs中手性相关自旋极化的全电产生、调控和检测。手性起源的自旋极化产生的UMR比已报道的其他非手性系统的大一到几个数量级，同时还可以通过静电栅极进行调控UMR。这些效应是由来自Te径向自旋织构的Edelstein效应引起。与传统的Rashba系统不同，并且在有机分子中观察到的手性诱导自旋选择性，诱导自旋极化沿电流方向取向。作者认为基于Edelstein效应对这种现象的描述可能会扩展到其他具有平移对称性的手性系统。该研究为无机手性Te NWs中结构手性和电子自旋之间的相互作用奠定了坚实的基础，从而能够设计非常规的全电器件。

文献链接：Gate-tuneable and chirality-dependent charge-to-spin conversion in tellurium nanowires. Nature Materials, 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01211-7.

本文由CQR编译。

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