研究揭示能帶填充狀態對二維電子氣Rashba自旋-軌道耦合的影響

由於電荷與軌道重構，強關聯氧化物界面常常形成具有獨特性質的第三相，其中最有意思的發現就是兩個絕緣氧化物界面的高導電性二維電子氣。與常規半導體二維電子氣不同，界面勢阱中的電子具有d電子特徵，可以佔據不同的d軌道，從而帶來一系列新特性例如二維超導電性以及磁性與超導電性共存等。

針對如何獲得自旋極化二維電子氣，如何實現對電子氣的高效調控等問題，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室孫繼榮團隊展開了系統深入的研究，先後發現光激發與柵極電壓結合會產生協同效應，使柵極電壓對界面電子氣的調節效應強化了兩個量級（Nat. Commun.5, 5554 (2014)）。隨後，他們利用EuO對二維電子氣的磁鄰近效應，成功地在EuO/KTaO3界面獲得了強磁性的自旋極化二維電子氣(Phys. Rev. Lett.121, 116803 (2018))。

二維電子氣研究的另外一個重要問題是電子氣獨有特性的調控，即，對稱性破缺導致的Rashba效應的調控，Rashba效應也是通向電場對自旋過程調控的主要途徑。Rashba場依賴於電子氣的哪些特徵參數，如何控制其變化，一直是研究者極為關心的問題。最近，在研究員孫繼榮指導下，博士研究生張慧等深入研究了非晶－LaAlO3/KTaO3界面二維電子氣，利用光電協同作用實現了對二維電子氣費米能級的大範圍調控，費米能級變化範圍從13 meV 到488 meV，建立了Rashba自旋－軌道耦合參數和費米能級之間的定量關係，自旋擴散長度與能帶填充狀態之間的定量關係，揭示了能帶填充狀態對自旋輸運過程的影響，得到了目前為止最大的自旋擴散距離（70nm）和最強的Rashba自旋－軌道耦合參數 (30 meV)。這一工作為進一步探索高性能二維電子體系提供了堅實基礎，為d電子二維電子氣體奇異物理效應的探索拓展了新空間。

該研究中密度泛函理論計算工作與物理所教授劉邦貴合作完成。

這一工作發表在ACS Nano(ACS Nano 13, 609 (2019)) 上。該工作得到科技部(2016YFA0300701，2017YFA0206300，2017YFA0303601，2018YFA0305704)、國家自然科學基金委 (11520101002，51590880，11674378）和中科院重點項目的支持。

圖1 磁場依賴的霍爾電阻。測量溫度5K，磁場範圍±9T，激光功率0-40 mW。(a) 對應最低費米能級的二維電子氣。(d) 對應中間費米能級的二維電子氣。(b到c) 相應的載流子濃度。(e－f) 利用典型的量載流子模型擬合得到的對應的電子遷移率。

圖2 利用垂直樣品表面磁場測得的磁電導，測量溫度5K。(a) 利用柵極電壓調節費米能級。(b－c) 利用光激發調節費米能級。圖中實線是根據理論公式擬合的結果，由此推導出Rashba自旋－軌道耦合參數。

圖3 (a) 有效自旋軌道場合非彈性場。(b) 自旋進動距離與退相干長度。(c) Rashba 自旋劈裂能隨載流子濃度（費米能級）的變化。

來源：中國科學院物理研究所

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