利用手性與自旋極化的相互轉(zhuǎn)換產(chǎn)生自旋流是近年來自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，相關(guān)現(xiàn)象被稱之為“手性誘導(dǎo)自旋選擇性”（Chirality-Induced Spin Selectivity, CISS）。CISS在自旋電子學(xué)器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值和豐富的物理內(nèi)涵，但是手性與自旋極化相互轉(zhuǎn)換的微觀機(jī)理一直是激烈爭(zhēng)論的科學(xué)問題。

佛羅里達(dá)州立大學(xué)熊鵬教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所趙建華研究員團(tuán)隊(duì)合作，以“磁性半導(dǎo)體/手性分子/非磁性金屬”為核心構(gòu)建自旋閥器件（圖1），系統(tǒng)研究了具有不同自旋軌道耦合強(qiáng)度的金屬電極對(duì)器件磁電導(dǎo)的影響，揭示了手性與電子自旋極化的轉(zhuǎn)換機(jī)理。

具體而言，當(dāng)非磁性金屬為具有強(qiáng)自旋軌道相互作用的Au電極時(shí)，能觀察到顯著的類自旋閥信號(hào)；而當(dāng)非磁性金屬為Al電極時(shí)，類自旋閥信號(hào)則減小了約一個(gè)數(shù)量級(jí)（圖2）。

魏茨曼科學(xué)研究所顏丙海教授從理論上指出，手性分子的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性使得電子產(chǎn)生軌道極化，而具有強(qiáng)自旋軌道耦合的非磁性金屬電極進(jìn)一步將電子的軌道極化轉(zhuǎn)換為電子的自旋極化。在此基礎(chǔ)上，該合作團(tuán)隊(duì)發(fā)展出一個(gè)勢(shì)壘可調(diào)的隧穿模型，很好地對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了定量解釋。

值得指出的是，高質(zhì)量的磁性半導(dǎo)體(Ga,Mn)As薄膜在這項(xiàng)工作中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。實(shí)際上，前期的類似工作未能給出令人信服的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其主要原因在于自組裝的手性分子隧穿勢(shì)壘層不可避免地存在孔洞等缺陷，從而導(dǎo)致“磁性金屬/手性分子/金屬”自旋閥器件短路失效。

而在分子和金屬電極間加一層薄的氧化絕緣層的方法又會(huì)增加器件本身的復(fù)雜性。將磁性金屬換成磁性半導(dǎo)體(Ga,Mn)As，由于金屬/半導(dǎo)體肖特基勢(shì)壘的存在，上述問題得到了有效解決。此外，(Ga,Mn)As可以通過應(yīng)變將其調(diào)控為垂直各向異性材料，為觀測(cè)到清晰可靠的自旋閥信號(hào)提供了保障。

該工作以“Interplay of structural chirality, electron spin and topological orbital in chiral molecular spin valves”為題近日發(fā)表于Nature Communications。佛羅里達(dá)州立大學(xué)Yuwaraj Adhikari博士生和柳天寒博士為論文的共同第一作者，半導(dǎo)體所趙建華研究員、魏茨曼科學(xué)研究所顏丙海教授和佛羅里達(dá)州立大學(xué)熊鵬教授為共同通訊作者，半導(dǎo)體所王海龍副研究員也為本工作做出重要貢獻(xiàn)。

這項(xiàng)工作建立在該合作團(tuán)隊(duì)前期構(gòu)建“手性分子/半導(dǎo)體”自旋閥器件的基礎(chǔ)上。他們通過系統(tǒng)研究自旋閥信號(hào)對(duì)電流和電壓的依賴行為，為建立合理的物理模型提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。相關(guān)工作以“Linear and Nonlinear Two-Terminal Spin- Valve Effect from Chirality-Induced Spin Selectivity”為題發(fā)表于ACS NANO14, 15983 (2020)。

上述工作得到了科技部、中國(guó)科學(xué)院和國(guó)家自然科學(xué)基金委的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助。

圖1 (a) 手性分子產(chǎn)生電子自旋極化的機(jī)理示意圖。(b,c) 垂直自旋閥的器件結(jié)構(gòu)示意圖和掃描電鏡圖。

圖2 非磁性金屬為 (a) Au和 (b) Al 對(duì)應(yīng)的類自旋閥信號(hào)。

審核編輯：劉清