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二維過(guò)渡金屬硫化物中自旋流的光學(xué)調(diào)控

來(lái)源: X-MOL 2017-06-26 13:42:14

自旋作為電子的內(nèi)稟特性之一，是開(kāi)發(fā)自旋電子器件的基礎(chǔ)。相比于以電子電荷特性為基礎(chǔ)的微電子器件，自旋電子器件具有能耗低、響應(yīng)快和存儲(chǔ)密度高等優(yōu)點(diǎn)，但在自旋電子器件的發(fā)展中仍然面對(duì)很多挑戰(zhàn)，如自旋電子的注入、自旋電流的傳輸和載流子自旋極化的探測(cè)與調(diào)控等。利用光與物質(zhì)的相互作用來(lái)操控非磁性材料中的自旋特性是解決這些難題的重要的研究方向。香港大學(xué)的崔曉冬教授（點(diǎn)擊查看介紹）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)最近提出了一種運(yùn)用激光來(lái)調(diào)控單層過(guò)渡金屬硫化物中自旋極化的方法。

單層過(guò)渡金屬硫化物（transition metal dichalcogenides, 以下簡(jiǎn)稱TMD）是一種類似石墨烯的六角晶格結(jié)構(gòu)的超薄材料，它們的興起將傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料擴(kuò)充到新的二維極限。在它們的動(dòng)量空間中固有地存在離散不等價(jià)的簡(jiǎn)并能谷K和K'。由于天然的空間反演對(duì)稱破缺特性，單層TMD的不同能谷中電子會(huì)發(fā)生帶間光學(xué)躍遷，需要遵循不同的光學(xué)選擇定則，具有圓偏光雙色性。另外，由于能谷處能帶主要由過(guò)渡金屬原子中的d軌道電子貢獻(xiàn)，強(qiáng)自旋軌道耦合使能帶發(fā)生劈裂，加上時(shí)間反演對(duì)稱性的要求，能帶的劈裂在K谷和K'谷的方向相反，即對(duì)應(yīng)K谷中自旋向上的能帶，在K'谷中一定是自旋向下的（圖1）。理論上這種自旋自由度與能谷贗自旋自由度之間的耦合可以產(chǎn)生穩(wěn)定的自旋極化，因此我們可以運(yùn)用不同頻率的激發(fā)光來(lái)調(diào)控單層TMD中的自旋。那么是否可以開(kāi)展實(shí)驗(yàn)證實(shí)以上的推測(cè)呢？

香港大學(xué)團(tuán)隊(duì)制備了一種可探測(cè)單層TMD材料中產(chǎn)生自旋極化的類自旋閥器件，用圓偏光激發(fā)出器件的單層TMD材料中載流子的自旋極化，并通過(guò)檢測(cè)器件中自旋分辨的光電流，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通過(guò)改變同一種手性圓偏激發(fā)光的頻率來(lái)調(diào)控單層TMD中的自旋可行性（圖2）。協(xié)同時(shí)間分辨的克爾偏轉(zhuǎn)譜的測(cè)量，他們的實(shí)驗(yàn)還顯示：光激發(fā)產(chǎn)生的單層TMD中的自旋極化在弛豫過(guò)程中趨向于保持原有的自旋方向，因此實(shí)驗(yàn)中可以用電學(xué)的手段在其費(fèi)米能級(jí)附近檢測(cè)到明顯的自旋極化。

這項(xiàng)工作為發(fā)展光學(xué)調(diào)控的自旋電子器件提供了一種嶄新的思路，也展示了單層TMD在未來(lái)自旋電子器件中的潛在應(yīng)用。這一成果近期發(fā)表在ACS Nano上，文章的第一作者是香港大學(xué)的博士陳曦。

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