【研究成果】史上最完整!各向異性鉍(Bi)元素量子材料的自旋─電荷轉換報告書

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  許芷辰 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 利用自旋幫浦產生自旋流測量鉍(Bi(012))在檢測 poly-YIG 和 epi-YIG上相應產生的ISHE電壓。

新興量子材料利用電子的量子特性,再搭配自旋電荷轉換,以低耗能的自旋流取代當前可供各元件所用的電荷流,以減少能量的耗損。近期,國立台灣大學物理系黃斯衍副教授就對鉍元素展開一系列各式不同物理或材料性質條件下,自旋-電荷轉換測量與分析,成為有史以來最完整的一份報告書!

電子自旋流(spin current)與自旋-電荷轉換(spin-to-charge conversion)

仰賴電荷流動的傳統電子電路產業中,電子元件一直有著耗能費功的特性,而新興元件的電子自旋流利用電子的量子特性,再搭配自旋電荷轉換,以低耗能的自旋流取代當前可供各元件所用的電荷流。

「電子自旋流(spin current)」指的是量子世界中,電子具有量子化的自旋角動量(1/2或 -1/2),而自旋角動量的流動就稱之為自旋流。自旋霍爾效應 (spin Hall effect, SHE)與反自旋霍爾效應(inverse spin Hall effect, ISHE)解釋了電子自旋與電流之間的關係,並實現了自旋與電荷之間的轉換(spin-to-charge conversion)與操控,電子自旋與軌道耦合(spin-orbit coupling, SOC)強的材料有著更顯著的自旋霍爾效應。

含「鉍(Bi)」的拓樸量子材料

鉍是元素週期表中最重的非放射性元素,再加上SOC大小大致上與原子序四次方成正比,可想而知含有「鉍」的拓樸量子材料早已成為材料探索的首選,例如拓樸絕緣體(topological insulators)和拓樸超導體(topological superconductors)。

自旋賽貝克效應(spin Seebeck effect)

首先,臺大黃斯衍副教授研究團隊應用縱向自旋賽貝克效應(longitudinal spin Seebeck effect, LSSE)激發自旋流,通過磁性絕緣體Y3Fe5O12 (YIG)對厚度15奈米的鉍薄膜注入電子自旋流,並量測其轉換出的反自旋霍爾(ISHE)電壓(如圖2)。

圖2. 測量鉍(Bi)在Y3Fe5O12(YIG)上相應產生的ISHE電壓。

測量結果顯示,對於 Bi(003)/YIG,測量到的電壓與磁場成線性比例而不飽和(如圖3,左),這並非 ISHE 電壓,而是由 反常能斯特效應(ordinary Nernst effect, ONE)引起的線性熱電壓。另外,從圖3(右)可見自旋-電荷轉換在Bi(012)中顯著存在。

圖3. 測量結果。

自旋幫浦(spin pumping)

除此之外,研究團隊亦利用自旋幫浦(spin pumping, SP)產生自旋流,再次驗證Bi(012)薄膜中的自旋-電荷轉換(如圖1)。SP是在室溫下使用TE102腔進行的,微波功率為100 mW,頻率為9.77 GHz。

不論是使用LSSE或SP,實驗結果都確認了Bi(012)薄膜層中很大的自旋-電荷轉換。

自旋-電荷轉換之後呢?

此篇報告顯示Bi中高度各向異性(anisotropic)的自旋-電荷轉換可能與各向異性SOC和Bi的拓撲性質相關。此外,在量子材料中,含鉍材料出現各種有趣的物理現象背後的機制也得到一些新的見解,也有助於以Bi為基質的拓撲量子材料和自旋電子學的探索和發展。


參考文獻

[1] Hsia-Ling Liang, T. C. Chuang, Danru Qu, C. C. Chiang, Ming-Hao Lee, Y. S. Chen, Jauyn Grace Lin, Ming-Wen Chu, C. L. Chien, and Ssu-Yen Huang. Anisotropic spin-to-charge conversion in bismuth. Phys. Rev. B 106, L201304 – Published 17 November 2022. DOI: 10.1103/PhysRevB.106.L201304

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