圆偏振光激发的反常霍尔效应研究

The design of spintronics devices has been an important direction and hotspot of spintronics. The effective magnetic field generated by spin-orbit coupling is the foundation of the design of spintronics devices. One of important spin phnomena related to spin-orbit coupling is spin Hall effect. However, due to the difficulty in measuring of spin current, there is no systematical research on spin Hall effect, the physical mechanisms and key factors of spin Hall effect are still not clear. When spin-polarized carriers, excited by a circularly polarized light, are driven by an electric field, a transverse charge current can be generated. It is so-called photo-induced anomalous effect (PAHE), which is believed to have the same mechanism as spin Hall effect. The charge current generated by PAHE is convenient to be detected and hence can be used to characterize spin Hall effect. By the investigation of the relation between the PAHE spectra and quantum confinement, crystal orientation, strain and electric field, we try to find the key factors and the physical mechanims that affect PAHE and spin Hall effect. Based on PAHE spetra, the spin transport in low dimensional semiconductors will be studied with the aim to control the spin-orbit coupling and spin properties, by which the foundation for the fabrication of spintronics devices can be built.

非磁自旋电子器件已经成为目前自旋电子学研究中的一个重要方向。自旋轨道耦合效应产生的有效磁场为非磁自旋电子器件的研制奠定了基础。最能体现自旋轨道耦合作用的一个重要自旋现象是自旋霍尔效应（SHE）。然而由于自旋流观测上的困难，SHE并没有得到系统的实验研究，SHE外禀和内禀机制及其决定因素尚不清楚。电场驱动圆偏光激发载流子运动产生的光致反常霍尔效应（PAHE）与SHE具有相同的物理机制，PAHE产生的电荷流便于测量，解决了SHE难于表征的问题。本项目通过量子限制、晶向、应变及电场与PAHE光谱相互关系的研究，阐明主导PAHE和SHE的微观机制和关键物理因素；基于PAHE光谱技术，研究半导体量子结构的自旋输运行为，实现对自旋轨道耦合和自旋性质的有效调控，为自旋电子器件研制奠定基础。

非磁自旋电子器件已经成为目前自旋电子学研究中的一个重要方向。自旋轨道耦合效应产生的有效磁场为非磁自旋电子器件的研制奠定了基础。最能体现自旋轨道耦合作用的一个重要自旋现象是自旋霍尔效应（SHE）。电场驱动圆偏光激发载流子运动产生的光致反常霍尔效应（PAHE）与SHE具有相同的物理机制，PAHE产生的电荷流便于测量，解决了SHE难于表征的问题。本项目通过量子限制、晶向、应变及电场与PAHE相互关系的研究，阐明主导PAHE微观机制和关键物理因素；基于PAHE光谱技术，研究半导体量子结构的自旋输运行为，实现对自旋轨道耦合和自旋性质的有效调控，为自旋电子器件研制奠定基础。.我们在GaAs/AlGaAs二维电子气、InGaAs/AlGaAs多量子阱、拓扑绝缘体Bi2Se3等低维结构材料中观察到了圆偏振光诱发的PAHE现象。根据GaAs/AlGaAs二维电子气的PAHE的温度依赖关系，确定其来源于非本征机制；根据拓扑绝缘体Bi2Se3 PAHE的温度依赖关系，可以区分Bi2Se3表面态和二维电子气的贡献，发现表面态的PAHE主要由本征机制引起，而二维电子气的PAHE由非本征机制决定。通过比对非掺杂的InGaAs/AlGaAs多量子阱的PAHE和光照条件下的普通霍尔效应，发现空穴和电子的PAHE电流近似相等，而不是人们通常认为的光生空穴对PAHE没有贡献。我们建立光致反常霍尔效应的微区成像系统，在室温条件下观察到了微米尺度下GaAs/AlGaAs多量子阱和多层二维材料ReS2等材料中外加电场导致的PAHE成像，以及样品边界和电极附近内建电场导致的PAHE信号。.我们系统研究了GaAs/AlGaAs量子阱的光致反常霍尔效应和圆偏振自旋光电流与晶向的关系，由此区分Rashba与Dresselhauss两种类型自旋轨道耦合的贡献。我们还证明了可以通过改变量子阱宽度和界面插入单层InAs来实现对Rashba自旋轨道耦合的有效调控。另外，我们还开展了GaMnAs/GaAs异质结构和自旋发光二极管的圆偏振光电流研究，观察到了自旋输运与自旋的极化方向密切相关，纵向极化的自旋基本不受纵向偏压调控，而横向自旋（自旋取向平行于样品平面）则可以被纵向偏压有效调控。