氧化物二维电子气的自旋极化和自旋输运性质研究

The novel physical property of two-dimensional electron gas (2DEG) at complex oxide hetero-interface is one of the focuses of condensed matter physics. However, it is pity that until now most of the researches focus on the properties of electron gases in the spin-unpolarized state. Combining with previous studies on the spin caloritronics and magnetic semiconductor heterostructure, applicants hope to inject pure spin current to the oxide 2DEG by spin-dependent Seebeck tunneling effect. This design combines the spin injection and spin detection, and it avoids the generation of charge current. Then though the analysis of Hanle and inverted Hanle effect, we can get the spin lifetime and spin resistance of the sample and explain the mechanism of its novel transport properties in the spin-polarized state. This work will give insight into the spin transport behavior in the oxide 2DEG and provide the theories basis for the design of future spintronic devices, such as spin field effect transistor.

氧化物异质界面的二维电子气因其新奇的物理效应成为近年来凝聚态物理学的研究热点之一。然而遗憾的是，目前对氧化物二维电子气的研究通常是在其非自旋极化状态下进行的，这时电子气的很多性能会被掩盖。本项目拟结合以往在自旋热电子学和半导体磁性异质结方面的研究经验，利用自旋依赖的塞贝克隧穿实现对氧化物二维电子气的纯自旋流注入，集自旋极化和自旋检测于一体的同时，避免电学注入时产生的电荷流。通过Hanle效应和inverted Hanle效应得出二维电子气的自旋寿命和自旋电阻，解释二维电子气在自旋极化后所表现出的新奇输运性质的机理。该项研究致力于揭示氧化物二维电子气的自旋属性和自旋输运行为特征，为基于氧化物二维电子气的自旋电子学器件，例如自旋场效应晶体管的研制，提供设计思路和理论依据。

氧化物二维电子气由于其特有的超导、铁磁等特性，受到了人们的广泛关注。目前对氧化物二维电子气的研究，通常是在其非自旋极化状态下进行的，这时电子气的很多性能会被掩盖。同时光作为一种有力的外界扰动，对界面输运性质具有显著影响，考虑到氧化物体系光电磁等效应的多功能外场耦合作用，本项目利用自旋塞贝克效应对二维电子气进行了自旋极化，同时深入研究了应力、掺杂等因素对氧化物二维电子气光电导相应的影响。本项目得到几个重要结果如下：.1）通过研究我们发现，在EuO/KTaO3样品施加面外温度梯度后，可在界面处观察到逆爱丁豪森效应，表明自旋流已经注入到界面二维电子气处。.2）对二维电子气的光电效应研究中，我们发现薄膜的应力会显著影响二维电子气的持久光电导行为。对LaAlO3薄膜进行掺杂后，可观察到样品明显的磁滞回线，以及近藤效应。对Ni样品进行光照后，近藤效应可以被抑制，这是因为光照破坏了局域磁性离子与传导电子之间的耦合，从而抑制了近藤效应。.3）合理设计了动态光霍尔效应的实验，通过采集光照下和照射后的霍尔效应获得了光生载流子浓度和迁移率随时间的动态变化规律。当光照时，出现了非线性霍尔效应，产生了第二个导电通道。关光后第二种载流子浓度下降，迁移率升高，这主要是由于电子-电子散射作用减弱引起，同时电场门控效应可以调制恢复过程。.4）通过激光辐照的方式来调控了Y3Fe5O12(YIG)不同铁氧配位体中电子组态，从而调控自旋波的刚度系数，进而有效地调控磁振子的扩散长度。改变激光的位置，可以推算出磁振子的扩散长度。实验表明，在室温下，YIG的扩散长度从初始值的约10μm增加到156μm（对于液相外延技术（LPE）样品）和180μm（对于脉冲激光沉积技术（PLD）样品）。