锑化铟量子阱的自旋霍尔效应研究

The goal of spintronics is to develop the next-generation electronic devices based on the spin states of an electron in addition to the charge of an electron. The generation, manipulation, and detection of spin current are the most fundamental issues in this field. Among all possible solutions to address these issues, the spin Hall effect attract considerable attention because it makes charge like current spin like in nonmagnetic materials in the absence of magnetic field. However, an understanding of the mechanisms underlying this effect and the development of an effective way to improve the efficiency of charge-spin conversion (defined by a spin Hall angle) are still challenging. In this project, we are planning to demonstrate the spin Hall effect and obtain the fundamental parameters (i.e., spin Hall angle, spin diffusion length, etc.) in quantum wells based on semiconductor (the best choice is the typical narrow-band semiconductor InSb) by means of the theory of Hanle magnetoresistance proposed by Dyakonov for the first time. Furthermore, we will present a comprehensive study of the spin Hall angle as a function of the Rashba and Dresselhaus spin-orbit coupling constant that can be in-situ tuned by gate control and high pressure techniques. This study will help us to find an effective way to improve the spin Hall angle and to better understand the spin Hall effect.

自旋电子学旨在利用电子自旋属性研究开发新一代的电子器件，其核心课题涉及自旋流的注入、操控与探测。自旋霍尔效应及其逆效应因其无需外加磁场即可在非磁性材料中实现电子电荷流和自旋流的相互转换而成为当前自旋电子学研究的一个热点。但是，对其微观机理的诠释以及如何提高电荷流和自旋流的转化效率（由自旋霍尔角定义）仍具挑战性。本项目拟采用Dyakonov提出的汉勒磁阻理论首次实现对半导体（典型窄带半导体锑化铟作为优选材料）量子阱的自旋霍尔效应表征并通过定量分析获得样品自旋霍尔角和自旋耗散长度等重要参数。在此基础上，利用栅极电压和压力原位调控样品的Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合常数，系统研究不同耦合机制对自旋霍尔角的影响并探讨提高材料自旋霍尔角的新方法，进而深入理解自旋霍尔效应的微观机理。

源于自旋轨道耦合作用的自旋霍尔效应及其逆效应因其无需外加磁场即可在非磁性材料中实现电子电荷流和自旋流的相互转换而成为当前自旋电子学研究的一个热点。但是，对其微观机理的诠释以及如何提高电荷流和自旋流的转化效率仍具挑战性。本项目原计划采用Dyakonov提出的汉勒磁阻理论实现对锑化铟量子阱的自旋霍尔效应表征，然而，前期实验结果表明反弱局域化效应的存在抑制了汉勒磁阻的探测，我们认为实现自旋轨道耦合作用的原位调控是解决上述问题的关键。有鉴于此，我们围绕锑化铟量子阱自旋轨道耦合强度的原位调控及自旋相关实验现象继续展开系统和深入地研究。通过系统的研究锑化铟量子阱磁阻随倾角和温度的变化关系，我们首次厘清了汉勒磁阻效应和反弱局域化各自对磁阻的贡献，证实利用平行磁场观测到的磁阻变化主要来源于反弱局域化现象，并探讨了自旋轨道耦合强度对汉勒磁阻信号缺失的影响；通过系统研究反弱局域化磁阻的压力和栅极电压依赖性，表明结合压力和栅极电压两种调控手段可实现InSb量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数的独立调控且调控效果非常显著，该自旋轨道耦合调控手段的开发对深入理解自旋霍尔效应及自旋相关实验现象的微观机理意义重大；通过对具有可控栅极InSb量子阱样品的泵浦式电阻式核磁共振测量，我们得到了量子霍尔铁磁体中磁畴壁斯格明子存在的有利证据，这一发现对自旋电子学研究以及自旋电子器件的研发等都具有重要意义。