新加坡国立大学 示意图显示(左)传统自旋霍尔效应(SHE)，其中沿y轴的电荷电流产生沿x轴的自旋电流(自旋极化由红色箭头球表示)
(右)在微尘2中新观察到的平面SHE将电荷电流转化为长寿命自旋电流
自旋极化和电荷电流是共线的，而不是正交的
学分:新加坡国立大学 自旋是一种基本的量子属性，它影响着与之相关的一系列物理和化学现象
例如，利用材料的自旋特性来传输电流可以应用于以更高的速度传输数据，并且比依赖电荷的传统设备具有更高的能效
然而，这需要能够高效率地产生长寿命纯自旋电流的材料
由新加坡国立大学化学系和先进二维材料中心的陆建平教授领导的一个研究小组已经确定了一种很有前途的候选材料，即薄层半金属钼二碲化物
半金属是一种在导带底部和价带顶部之间有很小重叠的材料
它的材料性能介于金属和半导体之间
该团队依赖于MoTe2中所谓的固有自旋霍尔效应(SHE)，该效应在没有强磁场或复杂激励方法的情况下将电荷电流转换成纯自旋电流
在传统材料中，SHE有两个局限性
一个是电荷-自旋转换效率和自旋扩散长度之间的权衡
另一个是几何约束，要求电荷流、自旋流和自旋极化相互正交
后者限制了自旋电流可用于切换磁性器件中磁性层取向的器件配置
陆教授说:“我们发现降低半金属微尘2晶体的对称性可以克服这两个限制
实际上，这仅仅需要将二氧化钼晶体减薄到几层厚度
" 医生
该论文的第一作者宋鹏利用透明胶带剥离法获得了原子级薄样品，并制作了研究电荷-自旋转换的装置
通过使用非磁性电极向样品中注入电荷，他能够产生纯自旋电流并测量其在材料中的扩散长度
获得了约30%的电荷-自旋转换效率和约2微米的自旋扩散长度
这两种特性的结合非常罕见，在其他材料中也没有观察到，包括铂和砷化镓
该团队解释说，创新在于对称性随着晶体维数的减少而打破
自旋-轨道耦合是自旋流的原因，在原子级薄的微尘2中表现出不同寻常的行为
除了有效地产生自旋电流之外，它还帮助自旋电流传播2 um的距离，该距离比在通常研究的自旋霍尔金属(例如铂和钨)中发现的自旋扩散长度(大约10纳米)长得多
此外，研究小组还发现了一种新的SHE形式，他们称之为平面SHE，以表明自旋极化和电荷电流可以共线而不是正交
晶体对称性的降低是产生平面SHE的原因
这种效应可以应用于利用自旋转移力矩效应来切换磁隧道结中的磁化
“我们的研究不仅为未来的高能效器件找到了一种有前途的材料，还揭示了对称性降低可以成为操纵自旋轨道相关效应的一种强有力策略的概念，”陆教授补充道
接下来，该团队计划将这种材料整合到功能性设备中，例如随机存取存储器，用于现实世界中的潜在应用
这项研究发表在《自然材料》杂志上
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