手性声子激发的自旋赛贝克效应示意图：在手性阳离子植入的二维层状有机-无机杂化钙钛矿材料施加温度梯度时，与其接触的金属薄层中可以观察到手性声子驱动的自旋电流。
北京时间2023年2月14日，美国北卡罗来纳州立大学Jun Liu教授、Dali Sun教授团队，北卡罗来纳大学教堂山分校Wei You教授团队，以及南京师范大学张力发教授、周俊教授、李晓教授团队合作在Nature Materials期刊上发表了一篇题为“Chiral-phonon-activated spin Seebeck effect”的新研究。
该成果报道了一种基于非磁性手性材料实现高效自旋流激发的新方法，这一发现突破了以往自旋器件必须依赖磁性材料的限制，实现了在非磁性材料中通过手性声子将热能直接转化为自旋电流，为设计成本低廉、制备简单、能量节约、应用广泛的新型自旋电子器件提供了一个重要的新思路。
论文通讯作者是张力发、Wei You 、Dali Sun、Jun Liu；Kyunghoon Kim, Eric Vetter, Liang Yan, Cong Yang是论文的共同第一作者。
自旋是电子的一种重要属性，可以用它作为信息载体来制造自旋电子器件，实现数据的存储、通信和计算。相较于常规的电子器件，自旋电子学器件可以显著地降低能耗并限制器件由于发热导致的失效。自旋塞贝克器件是自旋电子器件中的一个重要分支，它可以利用热能来产生自旋电流，从而激活电路中的其他自旋电子器件，因而自旋塞贝克器件在信息传输、存储及新能源开发和废热利用等方面都有着广阔的应用前景。但常规手段产生的自旋电流较弱，同时还需要铁磁接触、外磁场等其他复杂调控手段，这些局限性极大地阻碍了电子器件的发展。
最近，该研究团队在手性阳离子植入的二维层状有机-无机杂化钙钛矿体系中首次观察到了手性声子驱动的自旋电流（如图1所示），测量获得的自旋赛贝克效应比以往报道的更加显著。这是由于手性有机阳离子的引入打破了材料的空间反演对称性，即使在没有外部磁场的情况下左、右旋圆偏振声子模式的简并被解除，在温度梯度下表现出非零的声子角动量。当该手性体系与相邻金属薄层相接触时，声子角动量便被传递到相邻的金属薄膜之中，从而注入一股非平衡自旋电流。这一系列结果表明手性声子在自旋热电子学中具有很大的应用价值，也为在非磁性材料中的自旋操控提供了新的方法。
图1：自旋塞贝克效应示意图，手性声子激活的自旋塞贝克效应示意图以及实验测量示意图。
研究团队利用超快激光脉冲照射非磁性二维手性有机-无机杂化钙钛矿材料，诱导出瞬态温度梯度，激发出体系中的手性声子，进而产生了在相邻金属薄层中的非平衡自旋电流(如图2所示)。利用时间分辨的磁光克尔测量设备，实验团队精准探测了在相邻非磁性导体铜中的瞬态自旋电流，发现自旋电流的相位与手性钙钛矿薄膜的手性配体（即S型或R型）存在着一一对应的关系，并且持续时间长达4纳秒。
图2：手性材料表面温差以及产生的瞬态自旋电流。
除此以外，为了证实产生的自旋电流的自旋特性，研究团队将一层15nm厚的磁性NiFe合金镀在铜薄膜之上，通过倾斜的外部磁场将其磁化，使其磁化强度方向部分垂直于手性声子激活的自旋电流。由于自旋转移力矩的作用，NiFe层将吸收自旋电流，产生磁化强度的进动，这一物理过程被时间分辨的磁光克尔效应测量系统清晰地展现（如图3所示）。
图3：来自于手性声子激活的自旋塞贝克效应的自旋转移力矩。
研究团队进一步通过调整激光的发射功率和调制频率，实现了手性声子激活的自旋电流的线性调节（如图4所示）。根据测量结果给出了相应的手性声子激活的自旋塞贝克系数约为104 A/(Km)。这一手性声子激活的自旋塞贝克系数比大多数报道的磁性材料中的传统自旋塞贝克效应系数高几个数量级。
图4：自旋转移力矩的激光功率依赖性质、激光调制频率依赖性质以及磁场依赖性质。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01473-9
