清華物理系周樹(shù)云研究組發(fā)現(xiàn)單層硒化鉑薄膜中局域化拉什巴效應(yīng)
清華新聞網(wǎng)2月20日電 如何在薄膜材料中實(shí)現(xiàn)可以調(diào)控的自旋極化是當(dāng)前自旋電子學(xué)的一個(gè)核心問(wèn)題。最近，清華大學(xué)物理系周樹(shù)云研究組利用自旋分辨角分辨光電子能譜（Spin-ARPES），首次在單層薄膜中實(shí)現(xiàn)了一種新型的自旋極化機(jī)制－局域化拉什巴（Rashba）效應(yīng)－導(dǎo)致的螺旋狀自旋結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果以《單層二硒化鉑薄膜中局域化拉什巴效應(yīng)導(dǎo)致的自旋－層間鎖定的直接探測(cè)》（“Direct observation of spin-layer locking by local Rashba effect in monolayer semiconducting PtSe2 film”）為題，發(fā)表在日前出版的《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。
傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，電子自旋極化的產(chǎn)生需要破壞時(shí)間反演對(duì)稱性或者晶體整體的空間反演對(duì)稱性（晶體的空間對(duì)稱群），因此長(zhǎng)期以來(lái)有關(guān)自旋電子學(xué)載體的研究主要聚焦在具有非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的材料體系。隨著對(duì)電子自旋本質(zhì)的深入理解，研究人員開(kāi)始認(rèn)識(shí)到，自旋結(jié)構(gòu)由點(diǎn)群的對(duì)稱性決定，因此，即使在具有中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的材料中，局域化的電場(chǎng)也有可能導(dǎo)致電子自旋的極化（稱為局域的拉什巴效應(yīng)）。由這種新機(jī)制導(dǎo)致的自旋效應(yīng)，仍然有待在真實(shí)的薄膜材料中得到證實(shí)。
(a)單層硒化鉑薄膜的能帶結(jié)構(gòu)。紅色和藍(lán)色標(biāo)記該點(diǎn)自旋的方向，紅色和藍(lán)色分別為自旋方向垂直直面朝外和朝里。(b)自旋方向朝里和朝外的電子強(qiáng)度對(duì)比和自旋極化率。(c)單層硒化鉑的電子自旋結(jié)構(gòu)示意圖，上下兩層硒原子中的電子具有方向相反的自旋結(jié)構(gòu)。
周樹(shù)云研究組利用直接硒化法在鉑單晶表面上生長(zhǎng)了單層的硒化鉑薄膜，并且通過(guò)角分辨光電子能譜（ARPES）和自旋分辨角分辨光電子能譜（Spin-ARPES）實(shí)驗(yàn)測(cè)量，獲得了該樣品在布里淵區(qū)內(nèi)完整的能帶以及自旋結(jié)構(gòu)。雖然該薄膜的原子結(jié)構(gòu)具有空間反演對(duì)稱性，而且實(shí)驗(yàn)測(cè)量的能帶與理論計(jì)算得到的自旋簡(jiǎn)并的能帶非常吻合，然而令人驚訝的是，自旋分辨角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該材料具有顯著的面內(nèi)螺旋型自旋極化。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法用傳統(tǒng)的拉什巴效應(yīng)解釋，通過(guò)進(jìn)一步的分析，他們提出局域的拉什巴效應(yīng)來(lái)解釋該實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這類奇異的自旋極化實(shí)際上來(lái)自于該薄膜材料中硒原子位的局域電場(chǎng)，使得電子自旋在能量上簡(jiǎn)并但在空間上分離，形成自旋－層間鎖定現(xiàn)象。進(jìn)一步的第一性原理計(jì)算以及有效模型的結(jié)果均支持這樣的推斷，因而使得這項(xiàng)工作成為對(duì)局域拉什巴效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上的首次驗(yàn)證。這項(xiàng)工作揭示了單層硒化鉑薄膜中新的自旋-層間耦合機(jī)制，也使得這類半導(dǎo)體薄膜材料在未來(lái)的電子器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
清華大學(xué)物理系的周樹(shù)云教授為本文的通訊作者，物理系博士生姚維為論文的第一作者。合作者包括清華大學(xué)物理系段文暉研究組、美國(guó)賓州州立大學(xué)的劉朝星教授和物理所高鴻鈞／王業(yè)亮研究組。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部和清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持。
論文鏈接：
http://www.nature.com/articles/ncomms14216
供稿：物理系 編輯：李華山
