电荷流和自旋流的高效转换是低能耗自旋电子器件的应用基础，也是当下自旋电子学的重要研究方向之一。相比于广泛研究的自旋霍尔效应，由晶体结构反演对称破缺引起的Rashba自旋轨道耦合效应，同样能实现自旋流和电荷流之间的高效转换。Rashba自旋轨道耦合效应使得电子能带发生自旋相关的劈裂，当电荷流或自旋流进入Rashba材料时，将产生非平衡的自旋积累或沿特定方向传播的电荷流，从而实现自旋-电荷之间的相互转换。目前，该领域的实验研究主要围绕着半导体量子阱、拓扑绝缘体、二维电子气等材料体系，而二维卤族材料的自旋-电荷转换仍处于探索过程中。

图1. 二维卤族化合物BiTeI中的自旋-电荷转换过程。 (a) 基于自旋泵浦效应，在NiFe/BiTeI异质结中，Rashba自旋轨道耦合效应实现自旋-电荷转换的示意图。(b) BiTeI中自旋-电荷转换效率随温度的变化关系。(c) BiTeI的角分辨光电子能谱(ARPES)数据。

近期，清华大学物理系江万军课题组研究了具有强Rashba自旋轨道耦合的二维卤族材料BiTeI，并实验发现BiTeI具有极高的自旋-电荷转换效率。该合作团队首先通过角分辨光电子能谱确定了BiTeI具有Rashba型的能带结构，发现其Rashba参数高达3.68 eVÅ。这一结果意味着BiTeI理论上能够实现高效的自旋-电荷转换效率。通过机械剥离出薄层BiTeI，团队在NiFe/BiTeI异质结器件中，利用自旋泵浦效应，进一步研究了不同温度下的自旋-电荷转换效率。在自旋泵浦过程中，磁矩在外加静态磁场和微波磁场的共同作用下沿着特定方向进动，并在磁性/非磁性异质结界面处形成自旋积累；基于逆Rashba-Edelstein效应，自旋积累转换成可被测量的电荷流。实验结果显示，NiFe/BiTeI异质结的室温自旋-电荷转换效率高达1.92 nm，且随温度的降低，在60 K时增加到5.00 nm。该项研究表明，BiTeI这一类二维卤族材料可用于实现高效的自旋电荷转换，在低功耗自旋电子器件方面具有较大应用前景。该研究成果以“The giant spin-to-charge conversion of the layered Rashba material BiTeI”为题，在《纳米·快报》(Nano Letters)上在线发表。

物理系博士后蔡立和2019级博士生于承霖是该工作的共同第一作者，通讯作者为物理系江万军副教授及张金松副教授。合作者还包括物理系杨乐仙副教授、以及中科院物理所的石友国研究员和张颖研究员等。该工作受到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、北京自然科学基金、北京市高精尖芯片中心 (ICFC)、协同创新中心等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02354