近日, 量子物質科學協同創新中心、beat365量子材料科學中心韓偉課題組與中科院物理所孫繼榮課題組共同合作，對Rashba自旋分裂的二維電子氣進行了自旋注入和自旋電荷轉換的研究，并在室溫成功的發現逆Edelstein效應産生的自旋信号。該工作被《Science Advances》雜志以标題“Observation of Inverse Edelstein Effect in Rashba-Split 2DEG between SrTiO3 and LaAlO3 at Room Temperature”報道。
早在上世紀90年代，Edelstein就預言在對稱反演破缺的二維電子氣中流動的電流會引起自旋流，這種現象被稱為Edelstein效應。Edelstein效應的強弱取決于由反演對稱性破缺導緻的自旋軌道耦合。就像圖(a)所示，這種自旋軌道耦合将載流子的動量方向和自旋方向鎖定在一起。Edelstein效應的逆過程意味着在對稱性破缺的二維電子氣中不平衡的自旋注入和積聚可以産生面内電場，這種現象被稱為逆Edelstein效應。由于Edelstein效應和逆Edelstein效應中潛在高效的自旋電流轉換，近年來人們以Rashba界面、二維材料、拓撲表面态為載體進行了大量的實驗。
如圖(b)所示，在孫繼榮課題組提供的高質量SrTiO3/LaAlO3薄膜樣品上，韓偉課題組使用自旋泵浦技術将自旋流從坡莫合金（Py）磁性電極穿過厚達40uc的LAO絕緣層注入到二維電子氣中，并進行逆Edelstein效應的測量。工作系統地測量了逆Edelstein效應随頻率、功率、溫度和LAO厚度的變化關系，從各個方面證實了所觀察到的信号。非常有趣的是,實驗在室溫下展現了門電壓對自旋信号的調控作用，如圖(c)所示。這意味着門電壓可以被用作一個很強大的工具調節自旋電荷轉化效率，甚至自旋信号的開關。
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| 在SrTiO3/LaAlO3異質結界面處Rashba二維電子氣中觀測到逆 Edelstein效應。A，Rashba自旋分裂的二維電子氣的色散關系。B，逆 Edelstein效應測量示意圖。C，室溫下使用門電壓調控SrTiO3/3UC LaAlO3界面處Rashba二維電子氣中的逆Edelstein效應信号。 |
相關文章已于2017年03月17日在Science Advances上在線刊登（Science Advances, 3, e1602312 (2017)）。北大博士生宋琪和物理所博士生張洪瑞為共同第一作者，該項工作得到了國家自然科學基金委、國家科技部、中科院、中科院百人計劃以及中組部千人計劃的經費支持。
另外，特别值得一提的是，諾貝爾獎得主法國Fert教授團隊也對SrTiO3/LaAlO3界面的自旋和電荷轉換進行了研究，他們的文章比韓偉課題組及其合作者的工作略早在Nature Materials上發表（Nature Materials 15, 1261–1266 (2016)）。
這兩篇重要論文都揭示出複雜氧化物界面很有希望在未來被用以高效率的産生和探測自旋流，為基于複雜氧化物界面的新穎自旋器件奠定了基礎。
論文鍊接: http://advances.sciencemag.org/content/3/3/e1602312
諾貝爾獎得主法國Fert教授團隊的論文鍊接：http://www.nature.com/nmat/journal/v15/n12/full/nmat4726.html
韓偉研究員實驗室主頁: http:/~LabSpin/home.html
