使用二維物質(zhì)的自旋太陽能電池 - 副本

【背景】在硅等許多半導(dǎo)體中研究了通過光照射物質(zhì)而產(chǎn)生電流的光伏效應(yīng)，利用該現(xiàn)象將太陽光轉(zhuǎn)換為電能。為了產(chǎn)生光伏效應(yīng)，通常需要將p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體這兩種半導(dǎo)體結(jié)合為pn結(jié)。另一方面，已知空間反轉(zhuǎn)對稱性被破壞的材料會(huì)表現(xiàn)出光伏效應(yīng)，而不會(huì)形成諸如pn結(jié)之類的結(jié)，這種現(xiàn)象被稱為體光伏效應(yīng)，并且已在鈣鈦礦氧化物等材料中觀察到。特別是，作為一種體光伏效應(yīng)的移位電流，近年來已被積極研究，因?yàn)樗赡艹^基于pn結(jié)的傳統(tǒng)太陽能電池的性能極限。另一方面，鈣鈦礦氧化物等過渡金屬化合物表現(xiàn)出磁性體(磁鐵)等半導(dǎo)體以外的各種特性，表現(xiàn)為磁振子、自旋子等各種粒子。這些磁鐵獨(dú)有的粒子有望應(yīng)用于下一代電子產(chǎn)品，如自旋電子學(xué)。這些工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一是自旋電流的產(chǎn)生和控制，這是自旋子和磁振子的流動(dòng)。2019年，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種利用光將由磁振子和自旋子引起的自旋流引導(dǎo)（整流）到特定方向的方法的原理。然而，目前還沒有已知的候選材料可以實(shí)現(xiàn)可見的強(qiáng)自旋電流。在這項(xiàng)研究中，針對候選材料的發(fā)現(xiàn)，研究人員推導(dǎo)出了一個(gè)通用公式，可以從理論上計(jì)算實(shí)際材料中發(fā)生的自旋電流。此外，利用這個(gè)公式，計(jì)算了鹵化鉻（一種空間反轉(zhuǎn)對稱性被破壞的二維材料（一種不導(dǎo)電的磁體））的光致自旋電流，并計(jì)算了千兆赫茲的光致自旋電流。研究人員從理論上指出，通過在太赫茲波段施加電磁波可以產(chǎn)生直流自旋電流（整流效應(yīng)）。此外，從理論上表明，在這種材料中預(yù)測的自旋電流產(chǎn)生機(jī)制與迄今為止提出的機(jī)制不同，這種新機(jī)制中預(yù)測的材料的自旋電流強(qiáng)度更強(qiáng)。【結(jié)果與討論】在這項(xiàng)研究中，研究小組重點(diǎn)研究了兩層鹵化鉻材料，即原子在平面上二維排列的材料。從理論上分析了將各種頻率的電磁波應(yīng)用于該材料的理論模型時(shí)自旋電流產(chǎn)生的存在和條件。在磁性材料中，每個(gè)原子都表現(xiàn)為一個(gè)小磁鐵（磁矩），這些小磁鐵以各種方式排列以表現(xiàn)出各種特性。在雙層鹵化鉻材料的反鐵磁狀態(tài)下，由于磁矩的特殊排列，空間反轉(zhuǎn)對稱性被打破。因此，與太陽能電池一樣，自旋電流的光學(xué)整流成為可能。此外，在鹵化鉻材料中，出現(xiàn)了稱為磁振子的粒子，它們具有磁矩。為了從理論上研究該模型在應(yīng)用電磁波時(shí)的行為，擴(kuò)展了在研究物質(zhì)對電磁波的響應(yīng)時(shí)廣泛使用的線性響應(yīng)理論，并研究了直流自旋電流的整流現(xiàn)象。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過施加頻率在千兆赫到太赫茲范圍內(nèi)的電磁波，磁振子沿特定方向流動(dòng)，從而產(chǎn)生直流自旋電流的整流效應(yīng)（圖，右）。結(jié)果還表明，由這種整流效應(yīng)引起的自旋電流強(qiáng)度比以前的研究大兩個(gè)數(shù)量級。這種光致自旋電流的行為與從材料中心流向兩端的擴(kuò)散自旋電流在性質(zhì)上不同（圖，左）。這種整流行為和不需要極化調(diào)整的事實(shí)是太陽能電池共有的，這種整流現(xiàn)象可以說是太陽能電池的自旋電流版本。在以往的研究中，當(dāng)用光控制磁性材料時(shí)，一般考慮使用磁共振，這涉及光與磁性材料之間的角動(dòng)量交換。特別是，在磁振子中產(chǎn)生自旋電流需要圓偏振光將光的角動(dòng)量傳遞給磁振子。盡管近年來太赫茲波段的激光科學(xué)取得了長足的進(jìn)步，但與可見光和紅外區(qū)域的激光相比，還存在技術(shù)難題。在這項(xiàng)研究中，研究人員推導(dǎo)出了一個(gè)可以預(yù)測實(shí)際材料中光致自旋電流的公式，并從理論上闡明了Cr鹵化物系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這一現(xiàn)象的有希望的候選材料。【研究意義】與可以電測量和控制磁性材料狀態(tài)的自旋電子學(xué)相比，使用光來控制磁性的光學(xué)自旋電子學(xué)作為一種用于磁性設(shè)備的新技術(shù)引起了人們的關(guān)注。特別是，使用絕緣體的自旋電子學(xué)有望具有在使用金屬的設(shè)備中沒有的優(yōu)勢，例如抑制焦耳熱。自旋電流整流效應(yīng)是僅使用絕緣體進(jìn)行自旋電流整流和控制的基本技術(shù)。這項(xiàng)研究的結(jié)果可以看作是對絕緣體自旋電子學(xué)中一種新的高速自旋電