砷化镓太赫兹自旋霍尔电导率谱 | 前沿快讯No.39

Original 中国物理学会中国物理学会 2024-04-13

日本东京大学固体物理研究所Jun Yoshinobu等在室温下首次观察到的砷化镓中的自旋霍尔电导率谱，该光谱技术为分析与自旋、谷或轨道自由度相关的异常输运开辟了一条新的途径。相关研究成果以Observation of Terahertz Spin Hall Conductivity Spectrum in GaAs with Optical Spin Injection为题，发表于《物理评论快报》Phys. Rev. Lett. 2024, 132, 016301上

在自旋轨道耦合系统中，电流在偏置场下根据载流子不同的自旋而发生相反的横向偏转，从而产生横向自旋电流，其对应的自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应是自旋电子学中电荷和自旋电流转换的关键组成部分。利用自旋作为电子额外自由度的自旋电子学概念当前已扩展到动量空间的谷和轨道角动量等。与磁体中的反常霍尔效应相关，自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应的微观机制已从外在的杂质散射机制和无耗散的内在机制进行了深入研究。虽然大多数关于自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应的研究都集中在直流偏置场下的准静态响应，但对于自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应在与自旋弛豫相当或更快的时间尺度上的动力学还有待深入研究。

近红外飞秒脉冲的量子干涉已被证明能够实现对电荷和自旋电流的超快光学控制。而磁性和非磁性金属异质结薄膜中光激发态的自旋极化载流子可以转化为超短的面内横向电流，因此，基于其作为宽带的太赫兹发射器引起了人们的广泛关注，但对于高速电场驱动下的自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应的研究还很缺乏。

本文作者日本东京大学固体物理研究所Jun Yoshinobu等为了揭示自旋输运的动力学特性，对半导体砷化镓进行了近红外圆偏振泵浦-太赫兹探测实验。他们清楚地观察到太赫兹探测器中自旋向电荷电流转换的明显特征——依赖于泵浦螺旋度的异常法拉第旋转，其信号显示出随时间双指数衰减的趋势，与价带和导带之间的自旋弛豫一致。在空穴贡献弛豫后，通过降低偏振旋转角的噪声到若干μrad的量级，在实验确定了电子的自旋霍尔电导率谱，与理论结果具有很好的定量一致性，证明了从直流区的杂质散射和太赫兹区固有贝里曲率机制的交叠。

圆偏振的近红外泵浦脉冲激发了砷化镓中的自旋极化载流子，用（110）磷化镓晶体的电光采样检测太赫兹探针脉冲的法拉第旋转。根据带间跃迁的选择规则，左旋圆偏振光子从角动量分别为−3/2ℏ和−1/2ℏ的轻空穴和重空穴能带中激发自旋向上和向下的电子；对于右旋圆偏振光子，符号是相反的。由于从重空穴带向导带转变的振荡强度是从重空穴带向导带转变的三倍，被激发电子的自旋极化比1/2。随后，具有极化的载流子被沿着x方向线性极化的太赫兹电场驱动，依据逆自旋霍尔效应在y方向上产生净电荷电流。

图1 光学系统的原理图和样品上的实验结构示意图。

样品是采用分子束外延法生长的无掺杂（001）砷化镓，厚度为1.0 μm，由Al_0.19Ga_0.81As保护层构成三明治结构，所有的实验在室温下进行。采用薄样品可以通过透射测量在保持体态特性的前提下来定量分析响应函数。探测太赫兹脉冲波形在没有泵浦的情况下透过样品，振幅随泵浦减小，表明透射被光激发载流子所抑制。用Drude模型拟合得到激发载流子密度，发现激发载流子密度在100 μJ cm⁻²以下随通量呈线性增加，从而表明了线性吸收区域的存在。

图2 泵谱、探测和栅极脉冲之间的关系示意图。

随后，作者讨论了异常法拉第旋转信号的动力学问题。通过分析透射太赫兹脉冲的y分量的二维图发现了两组不同寿命的信号，并且在寿命较长和较短信号之间存在相位差异，表明表明了快动力学和慢动力学响应的不同起源。

图3 透射太赫兹脉冲的y分量的二维图及其分析。

根据对半导体导带中反常霍尔效应和自旋霍尔效应的频率依赖性的理论研究，作者综合考虑内禀、侧跳和斜散射机制对自旋霍尔电导率的贡献，对实验结果进行了很好的复现。

图4 实验和理论自旋霍尔电导率谱。

原文链接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.016301

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编译：不言

排版：不言

美编：农民

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