JP研究最新进展

JP研究最新进展19: PRL | 使用二维物质的自旋太阳能电池

2022年8月30日,东京工业大学Hiroaki Ishizuka(⽯塚⼤晃)课题组在专业杂志Physical Review Letter上在线发表了题为 「Large Photogalvanic Spin Current by Magnetic Resonance in Bilayer Cr Trihalides」的科技论文,该论文从理论的角度提出一种全新的高速自旋电流产生方法,该理论有可能推动新的光自旋功能的实现。

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.129.107201

01研究亮点

  1. 从理论上提出了一种利用千兆赫波段到太赫兹波段的电磁波在范德华材料薄膜中实现大自旋电流的方法
  2. 利用非线性理论详细研究了一种范德华材料Cr卤化物系统中的光致自旋电流,并从理论上预测了这种材料中会出现大的自旋电流
  3. 该研究使作为信息技术重要元素的光和磁之间的直接信息交换成为可能,并可能带来磁光技术的新发展。

 

02研究概要

 

【背景】

在硅等许多半导体中研究了通过光照射物质而产生电流的光伏效应,利用该现象将太阳光转换为电能。为了产生光伏效应,通常需要将p型半导体和n型半导体这两种半导体结合为pn结。另一方面,已知空间反转对称性被破坏的材料会表现出光伏效应,而不会形成诸如 pn 结之类的结,这种现象被称为体光伏效应,并且已在钙钛矿氧化物等材料中观察到。特别是,作为一种体光伏效应的移位电流,近年来已被积极研究,因为它可能超过基于pn结的传统太阳能电池的性能极限。另一方面,钙钛矿氧化物等过渡金属化合物表现出磁性体(磁铁)等半导体以外的各种特性,表现为磁振子、自旋子等各种粒子。这些磁铁独有的粒子有望应用于下一代电子产品,如自旋电子学。这些工业应用的关键技术之一是自旋电流的产生和控制,这是自旋子和磁振子的流动。

2019年,研究团队提出了一种利用光将由磁振子和自旋子引起的自旋流引导(整流)到特定方向的方法的原理。然而,目前还没有已知的候选材料可以实现可见的强自旋电流。在这项研究中,针对候选材料的发现,研究人员推导出了一个通用公式,可以从理论上计算实际材料中发生的自旋电流。此外,利用这个公式,计算了卤化铬(一种空间反转对称性被破坏的二维材料(一种不导电的磁体))的光致自旋电流,并计算了千兆赫兹的光致自旋电流。研究人员从理论上指出,通过在太赫兹波段施加电磁波可以产生直流自旋电流(整流效应)。此外,从理论上表明,在这种材料中预测的自旋电流产生机制与迄今为止提出的机制不同,这种新机制中预测的材料的自旋电流强度更强。

 

果与讨论

在这项研究中,研究小组重点研究了两层卤化铬材料,即原子在平面上二维排列的材料。从理论上分析了将各种频率的电磁波应用于该材料的理论模型时自旋电流产生的存在和条件。在磁性材料中,每个原子都表现为一个小磁铁(磁矩),这些小磁铁以各种方式排列以表现出各种特性。在双层卤化铬材料的反铁磁状态下,由于磁矩的特殊排列,空间反转对称性被打破。因此,与太阳能电池一样,自旋电流的光学整流成为可能。此外,在卤化铬材料中,出现了称为磁振子的粒子,它们具有磁矩。为了从理论上研究该模型在应用电磁波时的行为,扩展了在研究物质对电磁波的响应时广泛使用的线性响应理论,并研究了直流自旋电流的整流现象。结果发现,通过施加频率在千兆赫到太赫兹范围内的电磁波,磁振子沿特定方向流动,从而产生直流自旋电流的整流效应(图,右)。结果还表明,由这种整流效应引起的自旋电流强度比以前的研究大两个数量级。这种光致自旋电流的行为与从材料中心流向两端的扩散自旋电流在性质上不同(图,左)。这种整流行为和不需要极化调整的事实是太阳能电池共有的,这种整流现象可以说是太阳能电池的自旋电流版本。

在以往的研究中,当用光控制磁性材料时,一般考虑使用磁共振,这涉及光与磁性材料之间的角动量交换。特别是,在磁振子中产生自旋电流需要圆偏振光将光的角动量传递给磁振子。尽管近年来太赫兹波段的激光科学取得了长足的进步,但与可见光和红外区域的激光相比,还存在技术难题。在这项研究中,研究人员推导出了一个可以预测实际材料中光致自旋电流的公式,并从理论上阐明了 Cr 卤化物系统是实现这一现象的有希望的候选材料。

研究意义

与可以电测量和控制磁性材料状态的自旋电子学相比,使用光来控制磁性的光学自旋电子学作为一种用于磁性设备的新技术引起了人们的关注。 特别是,使用绝缘体的自旋电子学有望具有在使用金属的设备中没有的优势,例如抑制焦耳热。自旋电流整流效应是仅使用绝缘体进行自旋电流整流和控制的基本技术。这项研究的结果可以看作是对绝缘体自旋电子学中一种新的高速自旋电流产生方法的提议。此外,这一发现可以说是自旋电流偏移电流。 换言之,它表明位移电流的机制产生了太阳能电池以外的各种现象,并可能导致非线性响应理论研究的新发展。

本研究由东京工业大学与千叶大学共同合作完成;第一作者为Hiroaki Ishizuka,通讯作者为Hiroaki Ishizuka和Masahiro Sato教授。本文受到⽂部科学省 科学研究費助成事業 基盤研究(A)(JP18H03676)、若⼿研究 (JP19K14649)、基盤研究(B)(JP20H01830)、新学術領域研究「量⼦液晶の理論構築」 (19H05825)的经费支持。

03作者介绍

Hiroaki Ishizuka(⽯塚⼤晃)博士,东京工业大学理学院副教授;Ishizuka教授致力于磁性材料物性的理论研究,是半导体与原子物理研究领域的青年学者;在Nature PhysicsNature Com., Science AdvancesPhysical Review系列,等国际知名科学杂志发表研究型论文100余篇; 单篇最高被引用120余次,总引用次数为1200余次(2022/09/04)。

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