《自然·通讯》报道周树云研究组在单层PtSe_2薄膜中的局域Rashba效应

 

如何在薄膜材料中实现可以调控的自旋极化是当前自旋电子学的一个核心问题。最近,周树云研究组利用自旋分辨角分辨光电子能谱(Spin-ARPES),首次在单层薄膜中实现了一种新型的自旋极化机制(局域化Rashba效应)导致的螺旋状自旋结构。相关研究结果以“Direct observation of spin-layer locking by local Rashba effect in monolayer semiconducting PtSe_2 film”为题,发表在2017年1月31日的《自然·通讯》(Nature Communication)杂志(DOI: 10.1038/ncomms14216)。

传统观念认为,电子自旋极化的产生需要破坏时间反演对称性或者晶体整体的空间反演对称性(晶体的空间对称群),因此长期以来有关自旋电子学载体的研究主要聚焦在具有非中心对称结构的材料体系。随着对电子自旋本质的深入理解,研究人员开始认识到,自旋结构由点群的对称性决定,因此,即使在具有中心对称结构的材料中,局域化的电场也有可能导致电子自旋的极化(称为局域的Rashba效应,R-2 effect)。由这种新机制导致的自旋效应,仍然有待在真实的薄膜材料中得到证实。

周树云研究组利用直接硒化法在铂单晶表面上生长了单层的PtSe_2薄膜,并且通过角分辨光电子能谱(ARPES)和Spin-ARPES实验测量,获得了该样品在布里渊区内完整的能带以及自旋结构。虽然该薄膜的原子结构具有空间反演对称性,而且实验测量的能带与理论计算得到的自旋简并的能带非常吻合,然而令人惊讶的是,Spin-ARPES实验结果表明该材料具有显著的面内螺旋型自旋极化。该实验结果无法用传统的Rashba效应解释,通过进一步的分析,他们提出局域的Rashba效应来解释该实验结果。这类奇异的自旋极化实际上来自于该薄膜材料中Se原子位的局域电场,使得电子自旋在能量上简并但在空间上分离,形成自旋-层间锁定现象。进一步的第一性原理计算以及有效模型的结果均支持这样的推断,因而使得这项工作成为对局域Rashba效应在实验上的首次验证。这项工作揭示了单层PtSe_2薄膜中新的自旋-层间耦合机制,也使得这类半导体薄膜材料在未来的电子器件中具有潜在的应用价值。

 

(a)单层PtSe_2薄膜的能带结构。红色和蓝色标记该点自旋的方向,红色和蓝色分别为自旋方向垂直直面朝外和朝里。(b)自旋方向朝里和朝外的电子强度对比和自旋极化率。(c)单层PtSe_2的电子自旋结构示意图,上下两层Se原子中的电子具有方向相反的自旋结构。

 

该研究得到国家自然科学基金委、国家科技部和清华大学自主科研项目经费的支持。清华大学物理系的周树云教授为该文的通讯作者,物理系博士生姚维为文章的第一作者。合作者包括清华大学物理系段文晖研究组、美国宾州州立大学的刘朝星教授和物理所高鸿钧/王业亮研究组。

全文链接:http://www.nature.com/articles/ncomms14216