观察 GaAs/AlGaAs 二维电子气中的外在光致逆自旋霍尔效应
摘要
在 GaAs/AlGaAs 二维电子气中观察到由圆偏振光引起的逆自旋霍尔效应。自旋横向力是通过将光致逆自旋霍尔效应 (PISHE) 电流拟合到理论模型来确定的。还在不同光功率和不同光斑分布下测量了 PISHE 电流,所有测量结果与理论计算吻合良好。我们还测量了不同温度(即 77 到 300 K)下的 PISHE 电流。 PISHE电流的温度依赖性表明外在机制起主导作用,PISHE电流对样品晶体取向的弱依赖性进一步证实了这一点。
背景
自旋电子学因其在信息技术中的潜在应用以及揭示凝聚态中电子自旋物理的基本问题而备受关注[1-4]。自旋霍尔效应 (SHE) 及其 Onsager 倒数逆自旋霍尔效应 (ISHE) 在自旋电子学中发挥着重要作用,因为它们提供了一种通过自旋轨道耦合将电荷电流转换为自旋电流,反之亦然的电方法。 SOC) [2, 5–8]。 SHE 和ISHE 已在具有重元素的金属薄膜(如 Pt、Ta、Py 和 IrMn)以及新兴的拓扑绝缘体(如 Bi2Se3 和 SnTe)中得到广泛研究,因为它们具有很强的 SOC [9-14]。这两种效应也存在于半导体中,如 GaAs、ZnO、Si、Ge、GaN/AlGaN 和 GaAs/AlGaAs 二维电子气[15-20]。
半导体中的自旋电荷电流转换是一个重要问题,因为它开辟了一条将自旋电子学与电子学相结合的途径 [5]。光致ISHE(PISHE)最近成为研究半导体中ISHE的有效实验工具,它利用具有高斯分布的圆偏振光将自旋电流引入半导体,然后利用ISHE产生充电电流。 2, 19–22]。可以在室温下观察到 PISHE 电流,它提供了一种方便的方法来研究半导体的 ISHE,而无需引入磁场和铁磁元素 [20]。此外,PISHE 还为设计新型自旋光子器件铺平了道路 [22]。 PISHE 电流已在 GaN/AlGaN、GaAs/AlGaAs 和 MgZnO/ZnO 异质结构中观察到 [2, 19, 20]。然而,PISHE电流对光功率和光分布的依赖性尚不清楚。
ISHE有两种机制,即内在和外在。内在机制仅取决于完美有序材料的能带结构 [7, 23, 24],源自 Rashba [25-27] 或 Dresselhaus SOC [26],而外在机制是指不对称莫特偏斜或侧边-自旋轨道耦合系统中杂质的跳跃散射 [16, 24, 28, 29]。尽管对ISHE的内在或外在机制进行了大量研究,但大多是理论著作,很少有经验性著作围绕这一问题[16,27,30-32],因为很难区分这两者实验机制。
在本文中,我们研究了 GaAs/AlGaAs 二维电子气 (2DEG) 中的 PISHE 电流。发现 PISHE 电流随温度升高而增加,说明 PISHE 电流主要受外在机制支配。 PISHE 电流对样品晶体取向的弱依赖性进一步证实了这一推论。此外,我们还研究了PISHE电流对光功率和光剖面的依赖性,这与理论模型非常吻合。
方法
该实验是在半绝缘 GaAs 衬底上通过分子束外延 (MBE) 生长的 (001) 取向调制掺杂 GaAs/AlGaAs 2DEG 样品进行的。样品的电子密度和霍尔迁移率测量为5.18 × 10 11 厘米 −2 和 3.97 × 10 3 厘米 2 V −1 s −1 分别在室温下。由于背景掺杂,2DEG的迁移率有点低,约为10 15 或 10 16 厘米 −3 , 在样品生长过程中引入的样品中。样品沿 [110] 和 \([1\bar {1}0]\) 方向切割成 10 × 10 mm 的正方形 2 .两对欧姆接触分别沿[110]和[100]方向相距8 mm,采用铟沉积方法制成,并在氮气气氛中420℃左右退火。
使用波长为 1064 nm 的二极管泵浦固态激光器作为辐射源。激光束通过斩波器、偏振器和四分之一波片,最后垂直照射样品。在这里,偏光片和旋转四分之一波片用于改变光螺旋度P c =sin2φ 从左手 (σ - , P c =− 1) 到右手 (σ + , P c =+ 1) 连续,其中 φ 是入射光的偏振方向与四分之一波片光轴之间的夹角。样品上的光点具有高斯分布。电流通过前置放大器和锁定放大器沿样品的 [100](或 [110])方向在两个触点之间收集,参考频率为 229 Hz,来自斩波器。图 1a 说明了用于测量 PISHE 电流的设置。
<图片>结果与讨论
在具有高斯分布的圆偏振光照射下,在吸收不饱和区会产生空间上呈高斯分布的自旋偏振载流子。结果,出现了沿径向流动的扩散自旋流。然后,由于ISHE效应,自旋极化载流子受到沿切线方向的“自旋横向力”,导致轴向横向充电电流,即涡流(称为PISHE电流)[8, 20],如图1a所示。随着光的偏振态从左旋圆偏振 (σ + ) 到右手圆极化 (σ - ),电子的自旋极化从自旋向上变为自旋向下,导致自旋横向力和 PISHE 电流的反转。当四分之一波片从 0°旋转到 180°,即角度 φ 从0到180°,光的偏振态从垂直线偏振(0°)变为左旋圆偏振(45°),垂直线偏振(90°),右旋圆极化(在 135°),然后再次垂直线性极化(在 180°),如图 1c 的顶部所示。因此,当角度φ 由 45° 变为 135°,PISHE 反转,说明 PISHE 与 sin2φ 成正比 .值得注意的是,在φ 角度为 0、90 和 180°,光是线偏振的。由于光动量排列效应,线偏振光也会产生光电流[34],命名为L 1,或由于各向异性光吸收 [35, 36],命名为 L 2. 电流 L 1 和 L 线偏振光引起的2与sin4φ成正比 和 cos4φ , 分别。此外,背景光电流J 1 源于光伏效应或登伯效应也会出现,这与光的偏振态无关。因此,根据它们对角度的不同依赖φ ,我们可以通过拟合实验测量的光偏振态相关光电流 J 来提取 PISHE 电流 到下面的公式[8, 33]:
$$ J=J_{\text{PISHE}}\sin 2\varphi+L_{1}\sin 4\varphi+L_{2} \cos 4\varphi+J_{1}, $$ (1)其中 J PISHE 是左旋圆偏振光激发的 PISHE 电流,L 1 和 L 2 为线偏振光引起的光电流,J 1 是背景电流 [19]。需要注意的是,L 2 项已包含在拟合方程中,即 Eq. (1),由于样品中存在较大的光学各向异性。光学各向异性可能由各向异性界面结构[37]、原子偏析[38]或残余应力[39]引起。
为了获得 PISHE 的空间分布,我们沿着它们的垂直平分线从两个触点的左侧到右侧扫描激光点 [见图 1a]。在每个光斑位置,我们将四分之一波片从 0°旋转到 360°,并通过拟合方程获得 PISHE 电流。 (1) 对实验测量的光偏振态相关光电流 J .图 1b 显示了作为相位角 φ 的函数测量的光电流的典型结果 , 当激光光斑固定在 x =- 0.5 mm,即在点 A [见图 1a]。光电流在 300 K 下测量并沿 [110] 方向沿两个触点收集。样品上的激光光斑直径约 1.4 mm,呈高斯分布,功率为 250 mW。图 1b 中的圆圈为实验数据,实线为根据方程 1 的拟合结果。 (1).可以看出,实验测量的光电流随着四分之一波片的旋转而周期性波动。这是因为光电流是 PISHE 电流、线偏振光引起的光电流和背景电流的总和,它们对角度 φ 的依赖性不同 .虚线表示 PISHE 电流,点划线表示背景电流。蓝色和绿色虚线代表 L 1 和 L 2 分量分别由线偏振光引起。可以看出,PISHE电流远小于线偏振光引起的光电流。
获得的 PISHE 电流作为点的函数如图 1c 所示。可以看出,随着激光光斑从两个触点的左侧移动到右侧,PISHE电流的方向发生了反转。当激光光斑聚焦在两个触点的中点时,PISHE 电流几乎为零。这种现象可以通过光致逆自旋霍尔效应引起的涡流模型定量解释 [20]。具体来说,在具有高斯分布的激光照射下 G (r )=\(\frac {1}{\sqrt {2\pi }\sigma }\exp \left (-\frac {r^{2}}{2\sigma ^{2}}\right)\),会感应出沿径向流动的自旋电流,可表示为j r =τ s D ∇r G (r )。在这里,D 是自旋扩散系数,τ s 是自旋弛豫时间,r 表示径向,σ 表示与光强度的半峰全宽 (FWHM) 相关的分布方差。由于ISHE效应,自旋极化载流子将受到自旋横向力\(f(r)\propto j_{r}\times \hat {z}\) [20, 40],可以表示为\( f(r)=-f_{0}r/\sigma ^{3}\exp \left (-\frac {r^{2}}{2\sigma ^{2}}\right)\)。在这里,f 0 是与材料系统的 SOC 相关的自旋横向力常数。涡旋电场 \(\vec {E}\) 可由圆周电动势 (EMF) 确定,可写为 \(\varepsilon (r_{0})=\frac {2\pi }{q }\int _{0}^{r_{0}} f(r)rdr\),通过 \(\oint \vec {E}(r_{0})\cdot d\vec {l}=\varepsilon ( r_{0})\)。在这里,r 0为光斑半径,积分环沿光斑周长。因此,我们有
$$ \nabla\times \vec{E}(r_{0})=-\frac{f_{0}r}{q\sigma^{3}}\exp \left(-\frac{r^{2 }}{2\sigma^{2}}\right)。 $$ (2)值得注意的是,方程之间的微小差异。 (2) 和[20]中报道的是因为本文采用了归一化高斯函数,而[20]中使用了非归一化高斯函数。 f 本文中的 0 等价于 f 0/σ 在 [20] 中报道。两个触点之间的电流(命名为 a 和 b , 分别) 可以表示为
$$ {}I_{ab}\,=\,\frac{V_{ab}}{R_{ab}}\,=\,\frac{1}{R_{ab}}\!\int_{a} ^{b}\! \vec{E}\cdot d\vec{l}\,=\,\frac{1}{R_{ab}}\!\oint_{abo}\!\vec{E}\cdot d\vec{l }\,=\,\frac{1}{R_{ab}}\iint_{S}\nabla\times\vec{E} ds, $$ (3)其中 V ab (R ab ) 是触点 a 之间的电压(电阻) 和 b , o 是光斑的原点,S 表示abo的三角形面积 .需要说明的是,吸收饱和区,其中被样品吸收的光强是一个常数,达到样品的最大吸收,应从方程(1)的积分中减去。 (3).这是因为该区域的光生载流子梯度为零,因此该区域的自旋电流和PISHE电流均为零。
值得注意的是,方程。 (3) 仅当触点 a 时成立 和 b 被光点覆盖,因为在光点方程之外。 (2) 不再有效。因此,考虑到外部电流 (J f ) 和内部 (J e ) 点,即 J f =\(J_{e}\exp \left (-\frac {l}{A\cdot L_{s}}\right)\) [41],我们可以表达方程。 (3) 如:
$$ I_{ab}=\frac{1}{R_{ab}}\iint_{D}\nabla\times\vec{E}\cdot\exp \left(-\frac{l}{A\cdot L_ {s}}\right)ds。 $$ (4)在这里,l 是光斑边缘到两个触点连接处的距离,L s 是电子的扩散长度,A 是一个常数。使用方程(2) 和 (4) 拟合实验测量的 PISHE 电流,我们可以得到自旋横向力 f 0 和扩散长度 A ·L s .拟合结果如图 1c 中实线所示。可以看出,实验数据与模型拟合良好。在拟合中,采用以下实验测量参数,σ =0.2 毫米,L =4 毫米,r 0 =0.7 毫米,并且 R ab =15.5 k Ω .自旋横向力f 0/q 电子数拟合为 6.8 × 10 −6 N·m/C at 300 K, A ·L s 拟合为 2.8 × 10 −4 m, 吸收饱和区的半径拟合为 0.34 mm, 表明光的吸收饱和强度I c 对应于最大强度I的大约五分之一 米 ,即 I c =1/5 我 米 .
为了研究 PISHE 电流对光功率和光分布的依赖性,我们在不同光功率和不同光分布下进行了 PISHE 测量。图2a、b显示了在光点半径为r的不同光功率下,PISHE电流作为光点位置的函数 0 =1.5 毫米和 σ =0.5 毫米和 r 0 =1 毫米和 σ =0.3 毫米,分别。符号是实验数据,实线是根据方程的理论计算。 (2)和(4)。在计算中,除了光斑参数之外,使用了与图 1c 中采用的相同的参数,即 f 0/q =6.8 × 10 −6 N·m/C, A ·L s =2.8 × 10 −4 米,R ab =15.5 k Ω , 和 我 c =1/5 我 米 .在这里,我 米 是功率为 250 mW 时光的最大光强。可以看出 PISHE 电流的强度随着光功率的增加而增加,在 250 mW 的功率下,光斑具有更大的 FWHM(即更大的 σ ) 导致更大的 PISHE 电流。我们也可以看到,对于FWHM较大的光点,PISHE曲线的峰值会出现在较大的x值处 .在这里,x 是光斑中心到两个触点连接中点的距离。这是因为自旋电流和产生的 PISHE 电流与光剖面的梯度成正比。为了更好地比较不同光斑轮廓引起的 PISHE 电流,我们总结了图 2c 中图 2a、b 的结果,即我们总结了不同光斑下 PISHE 电流峰值对激发功率的依赖性。图2c中的光斑轮廓,其中符号表示实验数据,实线是理论计算结果。可以看出,实验结果与理论模拟非常吻合,证实了该模型。
<图片>结论
In conclusion, the PISHE current in a GaAs/AlGaAs 2DEG has been investigated in a temperature range of 77 to 300 K. The spin transverse force has been determined by fitting the PISHE current to a theoretical model. The dependence of the PISHE on the light power and on the light spot profiles has been investigated, which shows a good agreement with the theoretical model. The evolution of the PISHE current with temperature suggests that the PISHE is dominated by the extrinsic mechanism, which is further confirmed by the weak dependence of the PISHE current on the crystal orientation of the sample.
缩写
- 2DEG:
-
Two-dimensional electron gas
- CPGE:
-
Circular photogalvanic effect
- EMF:
-
Circular electromotive force
- FWHM:
-
半高全宽
- ISHE:
-
Inverse spin Hall effect
- MBE:
-
分子束外延
- PISHE:
-
Photo-induced inverse spin Hall effect
- SHE:
-
Spin Hall effect
- SOC:
-
Spin-orbit coupling
纳米材料