近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所計(jì)算物理與量子材料研究部研究員鄭小宏課題組在利用光學(xué)伽伐尼效應(yīng)產(chǎn)生純自旋流的研究中，基于結(jié)構(gòu)對(duì)稱性提出一個(gè)新的魯棒方案，即在具有空間反演對(duì)稱性的二維反鐵磁體系中實(shí)現(xiàn)光生純自旋流。相關(guān)研究成果以Two-dimensional centrosymmetrical antiferromagnets for spin photogalvanic devices為題，發(fā)表在Nature合作期刊NPJ Quantum Information上。

實(shí)現(xiàn)無凈電荷流伴隨的純自旋流是凝聚態(tài)物理和自旋電子學(xué)的重要研究課題，近年來，光學(xué)伽伐尼效應(yīng)在低維體系的研究引發(fā)學(xué)界廣泛關(guān)注。當(dāng)光學(xué)伽伐尼效應(yīng)應(yīng)用于具有空間反演對(duì)稱性破缺的強(qiáng)自旋軌道耦合體系或自旋極化的鐵磁體系時(shí)，僅需通過光照，便可產(chǎn)生自旋極化的光電流或純自旋流，這為實(shí)現(xiàn)純自旋流提供了新途徑。然而，以往對(duì)光學(xué)伽伐尼效應(yīng)誘導(dǎo)純自旋流的研究集中于強(qiáng)自旋軌道耦合的體系或鐵磁體系，且光生自旋極化光電流的一個(gè)重要條件是電子能帶須具備自旋劈裂特征。此外，這些體系并非原始材料，均需經(jīng)過一定的修飾加工、滿足一定的對(duì)稱性才能達(dá)到光生純自旋流的條件，這對(duì)實(shí)驗(yàn)制備條件提出了苛刻的要求，因此，實(shí)現(xiàn)光生純自旋流這個(gè)目標(biāo)并不容易。

為克服上述困難，研究人員基于光學(xué)伽伐尼效應(yīng)產(chǎn)生純自旋流對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的要求，提出了在二維反鐵磁體系中產(chǎn)生純自旋流的魯棒方案，即基于光學(xué)伽伐尼效應(yīng)在具有中心反演對(duì)稱性并且自旋極化具有反對(duì)稱性的二維反鐵磁磁體系中產(chǎn)生純自旋流。該方案被應(yīng)用于具有自旋簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu)的鋸齒形石墨烯納米帶構(gòu)建的自旋光電器件中。研究發(fā)現(xiàn)，純自旋流的產(chǎn)生既不依賴光子能量和光的偏振特征，也不依賴電子自旋能帶是否劈裂和簡(jiǎn)并，這表明能帶自旋劈裂不是光生純自旋流的必要條件。此外，通過施加外置電場(chǎng)可解除器件中電極端的自旋簡(jiǎn)并特點(diǎn)，所構(gòu)建的器件能實(shí)現(xiàn)自旋電子器件的多種功能，包括可產(chǎn)生完全自旋極化電流和實(shí)現(xiàn)純自旋流。更重要的是，這種基于光學(xué)伽伐尼效應(yīng)產(chǎn)生純自旋流的魯棒方案不僅限于石墨烯納米帶，還可推廣至其他具有自旋極化反演反對(duì)稱性和結(jié)構(gòu)反演對(duì)稱性的二維反鐵磁體系，這對(duì)發(fā)展低功耗的自旋器件設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

圖1.基于帶寬為6的鋸齒形石墨烯納米帶構(gòu)建的自旋光電器件（a-b）以及（c）器件的三種柵壓構(gòu)型

圖2.鋸齒形石墨烯納米帶的（a）電荷密度和（b）自旋密度分布圖；（c）線偏振光以及（d）橢圓偏振光照射下，自旋分辨光電流和、總的電荷光電流隨偏振角以及螺旋角的變化

圖3.鋸齒形石墨烯納米帶體系的純自旋流產(chǎn)生示意圖

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家留學(xué)基金委項(xiàng)目的資助，相關(guān)計(jì)算在中科院超算中心合肥分中心完成。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41534-021-00365-7