探索信息儲存和傳輸的新方式是凝聚态物理領域中的重大挑戰之一。自旋電子學利用電子的自旋自由度作為信息載體。由于器件的局域磁性很難被直接探測，有效的自旋-電荷轉換是自旋電子學應用的一個先決條件。近年來，随着帶有顯著相對論性自旋-軌道耦合的材料被發現，逆自旋霍爾效應和逆拉什巴-愛德斯坦（Rashba-Edelstein）效應被廣泛運用于将自旋流和自旋壓轉換為電流。這些效應依賴于準粒子的擴散輸運，因此自旋-電荷轉換通常是有能損的；而攜帶電荷和自旋的超流體能實現無耗散的自旋-電荷轉換。自旋三重态超導體和鐵磁約瑟夫森結就具有這樣的超流性質。在這兩類超導體中，自旋極化的庫珀對分别由對稱性自發破缺或磁近鄰效應引起。特别地，之前有研究表明，在約瑟夫森結中，鐵磁界面的磁矩可控制自旋向上和自旋向下庫珀對之間的相對相位，這導緻無耗散的約瑟夫森電流和自旋流之間的耦合。然而，這種鐵磁約瑟夫森結中的相對相位具有有限質量，這不利于在低能極限下将自旋壓轉換為電流。
beat365官方网站量子材料科學中心進藤龍一（Ryuichi Shindou）長聘副教授和2020級博士研究生張也陽提出二維電子-空穴雙層（EHDL）系統中的激子凝聚體是實現自旋壓和電流無耗散轉換的理想平台。半導體中的電子和空穴之間存在長程庫倫相互作用，從而形成一種被稱為激子的束縛态。二維電子-空穴雙層系統中的激子可以發生玻色-愛因斯坦凝聚，進而出現自旋和電荷的無耗散流動。近來，大量引人注目的凝聚态實驗已經證實，激子超流體存在于二維材料中。受這些科學進展的啟發，進藤龍一團隊提出，将二維電子-空穴雙層系統置于磁交換場之中，可以産生無耗散的自旋-電荷轉換現象；澄清了有交換場時激子自旋流和電荷流的一般性質，并說明了交換場的空間梯度（即自旋壓）如何引發電荷超流，且這種電荷超流具有新奇的時間依賴關系。
圖 由自旋壓（VS）引起的電流（IC）。（a）磁交換場下二維電子-空穴雙層系統的側視圖。其中，電流由分别連接在電子層和空穴層（兩個藍色區域）的兩個外加電路測量；自旋壓來自于鐵磁基底（帶有紅點的綠色區域）的磁近鄰效應，并通過空穴層（下方藍色區域）被加在約瑟夫森結上。（b）相對相位psi(t)和電流IC(t)的時間依賴關系； psi(t)表現出震蕩或階躍行為。
2022年2月8日，相關研究成果以“激子赝自旋超流體中的無耗散自旋-電荷轉換”（Dissipationless spin-charge conversion in excitonic pseudospin superfluid）為題在線發表于《物理評論快報》（Physical Reveiw Letters）。張也陽為第一作者，進藤龍一為通訊作者。
這上述研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金委等支持。研究工作提出的自旋-電荷轉換機制，顯著提高了二維激子超流體在自旋電子學領域的運用價值；同時，對磁性和自旋-軌道耦合如何影響二維電子-空穴雙層系統的超流性提供了可靠的思路。
論文原文鍊接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.066601
