近日，华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室孙琳研究团队利用自主搭建的自旋光伏效应测量系统在W/YIG双层膜中观察到了光生自旋流。通过实验观测结合器件仿真手段，澄清了光生自旋流起源的争议，揭示了自旋光伏效应的微观机制。研究成果以“Origin of the light-induced spin currents in heavy metal/magnetic insulator bilayers”为题，于2024年5月22日在线发表于Nature Communications。

图1.《自然通讯》刊发华东师范大学孙琳研究团队最新研究成果

　　电子具有电荷，微电子学就是利用电子的电荷属性实现信息的存储、传输和处理，这是现代信息产业技术的基础。随着微电子器件小型化、多功能化的快速发展，电荷流产生的器件功耗问题日益严重，因此亟需寻找新原理和新技术。实际上，电子除了电荷属性外，还具有自旋属性。纯自旋流可看作自旋向上和向下的两种电子反向流动形成。不同自旋的电子反向流动，消除了电荷流，从而避免了电荷流的焦耳热效应。目前，自旋流的产生和操控是自旋电子学的研究热点之一。自旋流可以通过自旋霍尔效应、自旋泵浦效应、自旋塞贝克效应和自旋光伏效应（SPVE）等物理现象，在具有强自旋轨道耦合的重金属和磁性绝缘体双层结构中产生。其中，SPVE可以非接触式地产生自旋流，相比其它方式，具有独特的优势。但是，光照会产生温度梯度，温度梯度同样会激发自旋流，即自旋塞贝克效应。所以，人们对于光生自旋流的起源一直存在争议。

图2. 不同厚度W/YIG(180、350、880 nm)样品在正面光照下的SPVE测量结果

　　研究团队系统地研究了光照能量和方向对W/YIG异质结中光生自旋流的影响。结合热传导仿真手段，研究发现，低光强引起的自旋流主要来自SPVE产生的光激发自旋流，而高光强引起的自旋流则主要来源于自旋塞贝克效应的光致热激发自旋流。该工作厘清了SPVE和自旋塞贝克效应的产生条件，并为SPVE的存在提供了实验证据。图2展示了不同厚度的W/YIG样品在正面光照下的SPVE测量结果。

　　结果显示，SPVE随着YIG的厚度增加而增强。基于这一现象，团队对SPVE的微观机制提出了新的解释：首先，对器件施加光照时，YIG中的单个自旋受到光子的扰动，偏离其平衡状态。由于该自旋与相邻自旋之间的相互作用，光子引起的微扰在整个系统中传播并形成YIG中的自旋波。其次，在W/YIG界面处，自旋角动量从自旋进动（自旋波）转移到传导电子的自旋，即在W层形成电子自旋流。最后，W层中的自旋流通过逆自旋霍尔效应转换为逆自旋霍尔电压而被检测。图3展示了SPVE的物理机制示意图。该研究可为光生自旋流原型器件的设计提供理论参考。

图3. 自旋光伏效应的物理机制

　　该研究成果已发表在Nature Communications15, 4362 (2024)。华东师范大学为第一完成单位，博士研究生王鸿如为论文的第一作者，孙琳教授为论文通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金委、华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室和华东师范大学微纳加工中心的大力支持。

　　孙琳团队主要从事半导体光伏器件和新型光伏效应器件研究，着重研究铜锌锡硫薄膜光伏电池及光电探测器、铁电光伏效应及其神经形态器件、自旋光伏效应原型器件。

附：

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48710-6