自旋霍尔效应的微观机理研究

The spin Hall effect is one of the critical issues in the field of spintronics as it promises bright future for applications. However, the understanding of the underlying mechanism is still far from satisfying. One bottleneck is the lack of a reliable way to experimentally identify the intrinsic and extrinsic contributions of the spin Hall effect. As a result, one has limited access to modify the magnitude of the spin Hall effect. To meet the challenge, we propose two different experimental methods, i.e.,the H-pattern method and the spin injection method, to quantitatively analyse the spin Hall effect. By employing the molecular beam epitaxy technique, we can systematically tune the thickness of single crystal samples. Consequently the spin Hall effect varies due to the finite size effect. We can therefore build up a proper scaling of the spin Hall conductivity as a function of the longitudinal conductivity, which shall identify the intrinsic and extrinsic contributions of the spin Hall effect. We expect the proposed study shall provide significant development in spintronics.

自旋霍尔效应是在自旋电子学中很具有潜在应用价值的一个效应，但有关其微观机理研究远不能让人满意，这其中最关键的问题在于，实验上至今还无法区分出自旋霍尔效应的本征贡献和非本征贡献，这就限制了人工调控的可能性。针对这一困难，我们提出两种不同的实验方案("H图形"以及"铁磁注入")，通过系统调节分子束外延单晶薄膜的厚度，取得由于有限尺度效应导致的自旋霍尔效应的差异，进而建立自旋霍尔电导率与纵向电导率的标度关系，最后区分出来本征与非本征贡献。我们期望这一研究将有助于加深对自旋霍尔效应的理解，并推动自旋电子学的发展。

自旋电子学基于对电子自旋的调控和探测，为突破传统电子学的发展瓶颈提供了可能，从而成为近年来凝聚态物理学的研究热点。自旋霍尔效应（和逆自旋霍尔效应），作为一种实现电流与自旋流相互转化的手段，在自旋电子学的研究中占有重要地位，但有关其微观机理的研究还远不能让人满意。其中关键的问题在于：实验上难以区分自旋霍尔效应的本征贡献和非本征贡献。这就限制了人工调控的可能性。由于自旋霍尔效应不直接产生可测量的霍尔电压，人们只能通过一些较为复杂的实验手段进行观测和研究。复杂的样品结构和物理过程使得定量开展自旋霍尔效应的研究面临巨大障碍。.本项目中，我们通过使用“H图形”的方法研究了Au薄膜和Bi掺杂的Cu薄膜中的自旋霍尔效应，并结合铁磁金属中反常霍尔效应标度关系的研究，为实验上区分自旋霍尔效应中的本征贡献和非本征贡献提供了深刻洞见。.本项目取得的科学研究成果主要有：（1）系统地发展了“H图形”探测金属薄膜中自旋霍尔效应的方法，证实 “H图形”非局域电压信号中存在自旋霍尔效应的贡献，并做了仔细的定量分析；（2）使用“H图形”的方法确定了多晶、单晶Au薄膜的自旋霍尔角和自旋扩散长度，澄清了数年以来关于Au薄膜自旋霍尔角大小的争议；（3）通过对不同厚度准一维Au纳米线中反弱局域化效应的研究，确定了Au的自旋扩散长度；（4）使用delta掺杂技术在Cu薄膜中掺入微量的Bi原子，在一个原本自旋轨道耦合较弱的材料Cu中实现了可观的自旋霍尔效应，这个效应来源于传导电子与Bi杂质原子之间强烈的自旋轨道散射；（5）实验证实了反常霍尔效应的side-jump机制；（6）建立了多种散射机制共存情况下的反常霍尔效应的一般标度关系。此外，在项目的支持下，我们对Bi(111)薄膜表面态的量子输运行为和Bi/Ni双层膜的非常规超导现象等的研究也取得了巨大进展。这些研究成果不仅加深人们对于自旋霍尔效应微观机制的理解，而且为通过人工调控自旋相关散射提高电流-自旋流转化效率指明了方向，推动了自旋电子学的发展。