p型硅中增强的自旋寿命与远程自旋传输：基于自旋无禁带半导体作为铁磁注入器
其他凝聚态物理
2026-02-18 v2
摘要
电气自旋注入与传输是实现半导体基体自旋器件的核心挑战，尤其是在 p 型硅中，由于强自旋relaxation及界面效应，往往抑制可检测的自旋信号。本文报道了利用自旋无禁带 Heusler 合金 MnCoAl 作为铁磁自旋注入器，通过薄 MgO 隧道 Barriers 将其与 p-Si 通道隔离，构建 lateral 器件几何结构，实现对 p 型硅的电气自旋注入、积聚与传输。系统地通过三端（3-T）Hanle 和四端（4-T）非局部（NL）自旋阀和 Hanle 测量进行研究。从 5 K 到室温，均观察到 3-T 配置中清晰的洋田线形 Hanle 信号，给出在 300 K 时约为0.68 ns的自旋寿命，至 5 K 时增长至约4.11 ns。温度依赖分析显示，自旋寿命呈弱幂律依赖，表明为 Bir--Aronov--Pikus--型自旋relaxation机制。为验证真实的自旋传输，进行了 NL 自旋阀和 Hanle 测量，结果在 5 K 时显示明确的自旋阀切换和受控的自旋预cession。通过 NL Hanle 拟合，提取出自旋寿命约为5.65 ns，自旋扩散长度约为0.82 m，确认了 p-Si 通道中的扩散式远程自旋传输。尽管 NL 信号在高温下因界面自旋polarization降低和热噪声而减弱，但综合 3-T 和 4-T 结果表明，自旋无禁带 MnCoAl 是 p 型硅的有效自旋注入器。这些发现凸显了自旋无禁带半导体在提高自旋注入效率及推动 Si 兼容自旋器件方面的潜力。
引用
@article{arxiv.2602.13118,
title = {Enhanced Spin Lifetime and Long-Range Spin Transport in p-Silicon using Spin Gapless Semiconductor as Ferromagnetic Injector},
author = {Nilay Maji and Subham Mohanty and Pujarani Dehuri and Garima Yadav},
journal= {arXiv preprint arXiv:2602.13118},
year = {2026}
}