MgO/Si 双层结构中无耗散自旋流的生成与探测

自旋电子学是电子学的类比，其中器件功能上控制的是电子的自旋而非其电荷。在不使用铁磁或稀有/特殊材料的情况下生成和探测自旋流是自旋电子学器件的两大挑战。在本研究中，我们报道了在 Si 中自旋流生成与探测这两个问题的解决方案。利用非局域测量，我们通过实验证明了利用自旋霍尔效应生成螺旋无耗散自旋流。与理论预测相反，我们在 n 型掺杂和 p 型掺杂的 Si 中都观察到了自旋霍尔效应。该螺旋自旋流归因于 Si 金刚石立方晶格的位点反演不对称以及 MgO/Si 双层结构的结构反演不对称。由于自旋轨道耦合较弱，Si 中的自旋到电荷转换可忽略。为高效探测自旋流，我们报道了在 MgO (1nm)/Si (2 um)（p 型掺杂和 n 型掺杂）薄膜界面处由于 Rashba 自旋轨道耦合产生的自旋到电荷转换。我们在 >100 um 的距离上探测到自旋流，这比利用自旋注入技术测得的最长自旋扩散长度大一个数量级。Si 中存在自旋流由 Co/Pd 多层膜中由于来自 Si 的自旋流产生的自旋轨道力矩导致的矫顽力降低得到验证。