基于隧穿势垒的电学自旋探测器中巨大自旋探测效率的起源

在主流半导体中将自旋信号高效转换为电压是自旋电子学的重大挑战之一。该过程通常通过发生非线性电输运的铁磁隧穿势垒实现。在本工作中，我们证明当隧穿势垒在几mV偏压下时，非线性可能导致自旋到电荷的转换效率大于隧穿势垒自旋极化的10倍。我们将这一极高效率自旋探测的潜在机制确定为源于外加电压变化引起的隧穿势垒形变与导带偏移。此外，我们推导了探测器自旋灵敏度$P_{\textrm{det}}(V)$的近似解析表达式。针对不同势垒形状的计算表明，这种增强在氧化物势垒和肖特基隧穿势垒中均存在，尽管主导机制随势垒类型而异。而且，尽管自旋信号在高温下减小，其仍优于线性模型预测的值。我们的发现为电学自旋探测实验的解释与理解提供了启示，并为优化自旋输运器件性能开辟了新路径。