CN108151931B - 一种估算硒化铋中线偏振光产生的自旋横向力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种估算硒化铋中线偏振光产生的自旋横向力的方法，将激光依次通过斩波器、起偏器、二分之一波片，沿着硒化铋样品两电极连线的垂直平分线，将激光光斑从两电极连线的左边按一定距逐渐移动到右边，在每一个光斑位置处，转动二分之一波片从0度到180度，每一个二分之一波片角度下的光电流通过前置放大器和锁相放大器，然后进入数据采集卡并由电脑采集，对采集数据进行拟合计算，得到硒化铋在线偏振光垂直入射下不同光斑位置处的逆自旋霍尔电流L2，并通过模型拟合，得到硒化铋中由线偏振光产生的自旋横向力。本发明通过线偏振光注入自旋流来实现逆自旋霍尔效应，估算硒化铋中线偏振光产生的自旋横向力，方法简单，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及自旋光电子学领域，具体涉及一种估算拓扑绝缘体硒化铋中线偏振光产生的自旋横向力的方法。
背景技术
拓扑绝缘体是一种新型的量子物质态，其体电子态是有能隙的绝缘态，表面态是无能隙的金属态。硒化铋是拓扑绝缘体的典型代表，因为它具有单个狄拉克锥，能带结构较为简单，并且它的体能隙较大(约为0.3eV)。由于拓扑绝缘体具有许多奇异的性质，在自旋电子学和量子计算领域，具有很好的应用前景。
自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应是通过自旋轨道耦合实现电子自旋注入和探测的有效手段。由于拓扑绝缘体具有很强的自旋轨道耦合，因此，已经有很多关于拓扑绝缘体的自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应的研究。自旋霍尔效应是将电荷流转化成自旋流，而逆自旋霍尔效应是将自旋流转化成电荷流。目前，逆自旋霍尔效应是主要是通过圆偏振光激发自旋流或者通过铁磁材料注入自旋流来实现的。
发明内容
本发明指出硒化铋中的逆自旋霍尔效应也可以通过线偏振光注入自旋流来实现，并提出了一种估算硒化铋中线偏振光激发产生的自旋横向力的方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种估算硒化铋中线偏振光产生的自旋横向力的方法，包括：
步骤S1：在硒化铋样品表面上通过电子束蒸发沉积一对钛金电极，将激光依次通过斩波器、起偏器、二分之一波片，然后垂直入射在样品两电极连线的中点；调节二分之一波片，使其主轴方向与起偏器的偏振方向平行；
步骤S2：沿着两电极连线的垂直平分线，将激光光斑从两电极连线的左边按一定距逐渐移动到右边，在每一个光斑位置处，转动二分之一波片从0度到180度，每一个二分之一波片角度下的光电流通过前置放大器和锁相放大器，然后进入数据采集卡并由电脑采集；
步骤S3：当激光光斑照射在两电极连线中点时，记录下两个电极间的电阻Rab，通过光斑分析仪测得光斑的半径r0，光斑半高宽χ；
步骤S4：当光斑照射在两电极连线中点时，测得的光电流J用如下公式进行拟合：
其中，为二分之一波片与起偏器偏振方向的夹角，拟合得到光斑在两电极连线中点处时的普通线偏振光电流JLPGE0和角度Φ0，以及背景电流y00，
当光斑照射在非两电极连线中点位置时，测得的光电流J用如下公式进行拟合：
得到不同光斑位置处的背景电流y0，JL为线偏振光相关的光电流，包括普通线偏振光电流和反常线偏振光电流，φ为拟合参数；
则不同光斑位置处的普通线偏振光电流JLPGE：
JLPGE(x)＝JLPGE0×y0(x)/y00 公式(3)
其中，x表示光斑位置坐标，y0(x)表示当光斑照射在x位置时的背景电流，用如下公式对非两电极连线中点的不同光斑位置处的光电流进行拟合：
得到不同光斑位置处的反常线偏振光电流L1和逆自旋霍尔电流L2；
步骤S5：将得到的不同光斑位置处的逆自旋霍尔电流L2用如下公式进行拟合：
其中，q为电子电量，f0为自旋横向力，r为积分变量，其取值范围为0到r0,χ为光斑的半高宽，I1为拟合参数，其中积分区间D表示由两电极和光斑中心围成的三角形区域，通过拟合即可得到自旋横向力f0。
进一步地，所述硒化铋为单晶结构，且其费米能级高于导带底的能量至少0.1eV。
进一步地，所述步骤S2中定距为0.1mm。
进一步地，所述步骤S2中，二分之一波片每转动5度采集一次光电流。
与现有技术相比，本发明具有有益效果：通过线偏振光注入自旋流来实现逆自旋霍尔效应，通过简单测量拓扑绝缘体硒化铋在线偏振光垂直入射下不同光斑位置处的逆自旋霍尔电流L2，并通过模型拟合，从而得到硒化铋中由线偏振光产生的自旋横向力。
附图说明
图1是本发明一实施例的实验光路示意图；
图2是本发明一实施例LPGE电流和背景电流随光斑位置变化的曲线；
图3是本发明一实施例的光电流随二分之一波片角度变化的数据以及数据拟合示意图；
图4是本发明一实施例拟合得到的反逆自旋霍尔电流L2随光斑位置变化的曲线以及模型拟合曲线；
图中：1-1064nm激光器，2-斩波器，3-起偏器，4-二分之一波片，5-拓扑绝缘体硒化铋样品，6-沉积在样品上的两个圆形电极，7-前置放大器，8-锁相放大器，9-低温杜瓦。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
一种估算硒化铋中线偏振光产生的自旋横向力的方法，包括：
步骤S1：在硒化铋样品表面上通过电子束蒸发沉积一对钛金电极，将激光依次通过斩波器、起偏器、二分之一波片，然后垂直入射在样品两电极连线的中点；调节二分之一波片，使其主轴方向与起偏器的偏振方向平行；
步骤S2：沿着两电极连线的垂直平分线，将激光光斑从两电极连线的左边按一定距逐渐移动到右边，在每一个光斑位置处，转动二分之一波片从0度到180度，每一个二分之一波片角度下的光电流通过前置放大器和锁相放大器，然后进入数据采集卡并由电脑采集；
步骤S3：当激光光斑照射在两电极连线中点时，记录下两个电极间的电阻Rab，通过光斑分析仪测得光斑的半径r0，光斑半高宽χ；
步骤S4：当光斑照射在两电极连线中点时，测得的光电流J用如下公式进行拟合：
其中，为二分之一波片与起偏器偏振方向的夹角，拟合得到光斑在两电极连线中点处时的普通线偏振光电流JLPGE0和角度Φ0，以及背景电流y00，
当光斑照射在非两电极连线中点位置时，测得的光电流J用如下公式进行拟合：
得到不同光斑位置处的背景电流y0，JL为线偏振光相关的光电流，包括普通线偏振光电流和反常线偏振光电流，φ为拟合参数；
则不同光斑位置处的普通线偏振光电流JLPGE：
JLPGE(x)＝JLPGE0×y0(x)/y00 公式(3)
其中，x表示光斑位置坐标，y0(x)表示当光斑照射在x位置时的背景电流，用如下公式对非两电极连线中点的不同光斑位置处的光电流进行拟合：
得到不同光斑位置处的反常线偏振光电流L1和逆自旋霍尔电流L2；
步骤S5：将得到的不同光斑位置处的逆自旋霍尔电流L2用如下公式进行拟合：
其中，q为电子电量，f0为自旋横向力，r为积分变量，其取值范围为0到r0,χ为光斑的半高宽，I1为拟合参数，其中积分区间D表示由两电极和光斑中心围成的三角形区域，通过拟合即可得到自旋横向力f0。
对于硒化铋来说，当费米能较高时，费米面以及费米面附近的电子的自旋极化方向不是只有平面内的分量，也会出现平面外的分量，即z方向的自旋极化分量，且其z方向自旋极化随方位角的变化而变化，即呈现cos(3φ)的变化关系，其中φ为相对于高对称方向Γ-M转过的角度，在线偏振光的激发下，费米面附近的电子就会吸收光子跃迁到更高的能带。能带在k空间的对称性，使得若有一个电子态|k,↑>被激发，那么相应的也会有一个电子态|-k,↓>被激发，其它们跃迁的几率是相同的。由于|k,↑>和|-k,↓>的电子能量相同，且运动方向相反，所以它们不会产生电荷流。然后，由于它们的自旋方向相反，它们将会产生自旋流。这个自旋流可以表示为：
这里φ表示方位角，G(r)为光强分布，I1是一个常数。G(r)可以表示为I0为光斑中心的光强，χ为光斑的半高宽。可见，自旋流的方向是沿光斑的半径方向的。由于自旋轨道耦合的作用，将会有一个自旋横向力作用在电子上，这个自旋横向力可以表示为：可见，自旋横向力的方向是沿切向方向的。因此，电场的方向也是沿切向方向的。其中，m为电子质量，γ是一个正比于自旋轨道耦合强度的常数，表示z方向的单位矢量。这样，两电极间测到的电流可以表示为：
其中abo表示两个电极和光斑中心围成的闭合回路。在光斑区域内，电动力是由光照引起的自旋横向力提供的，即电动力(EMF,electromotive force)可以表示为：由于可以得到考虑到则有
其中f0为自旋横向力，积分区间D表示由两电极和光斑中心围成的三角形区域。所述硒化铋为单晶结构，且其费米能级较高，费米能级高于导带底的能量至少0.1eV。
本发明一具体实施例中的实验光路示意图参见图1，其中的样品5是用分子束外延生长技术(MBE)在(111)面钛酸锶衬底上生长的硒化铋薄膜，为单晶结构，厚度约为7纳米(nm)，在2K下测得样品的载流子浓度和迁移率分别为2.68×1013cm-2和197.4cm2V-1s-1。本发明实施例是在77K温度下测得的，因此需要将样品装在杜瓦瓶中。
本实施例采用如下的步骤：
(1)通过电子束蒸发在样品表面上沉积一对钛金电极，电极间距约为1.2mm。然后将样品用低温胶粘在低温杜瓦上。往低温杜瓦里面灌入液氮，并将温度调节到77K。
(2)采用如图1所示的测量光路，其中1是1064nm的激光器，激光强度呈现高斯分布，功率为250mW，激光通过斩波器2、起偏器3和二分之一波片4后垂直入射在样品两电极6的垂直平分线上，光斑的直径约为1mm。产生的光电流进入前置放大器7，然后进入锁相放大器8，最后进入数据采集卡并由电脑采集。斩波器2的斩波频率为229Hz，锁相放大器8的参考频率为斩波器2的频率。调节二分之一波片4，使得其主轴方向与起偏器3的偏振方向平行。
(3)将激光光斑从两电极连线的左边0.7mm处沿着两电极的垂直平分线移动到右边0.7mm处，步长为0.1mm。在每一个光斑位置处，转动四分之一波片从0度到180度，较佳的，步长为5度，将每一个二分之一波片角度下的光电流输入前置放大器和锁相放大器，然后进入数据采集卡并由电脑采集。
(4)当光斑照射在两电极连线中点时，测得的光电流用如下公式进行拟合：
其中，φ为二分之一波片与起偏器偏振方向的夹角。这是因为在光斑垂直照射在两电极连线的中点时，反常线偏振光电流为零，只有普通的线偏振光电流(LPGE电流)。拟合得到光斑在两电极连线中点处时的普通线偏振光电流JLPGE0和角度Φ0，以及背景电流y00，将其他光斑位置处的光电流用如下公式进行拟合：
得到不同光斑位置处的背景电流y0，结果如图2中矩形点所示。通常情况下，LPGE电流随光斑的变化趋势与背景电流y0随光斑位置变化的趋势相同，即当光斑位于两电极连线中点时，他们的强度最大，当光斑远离电极连线中点时，他们的强度均减小。因此，可以通过如下公式得到不同光斑位置处的LPGE电流。
JLPGE(x)＝JLPGE0×y0(x)/y00 公式(3)
其中x表示光斑位置坐标，y0(x)表示当光斑照射在x位置时的背景电流。这样得到的不同光斑位置处的LPGE电流如图2中三角形点所示。
得到了不同光斑位置处的LPGE电流后，就可以通过如下公式的拟合将反常线偏振光电流和逆自旋霍尔电流分离出来。即用如下公式对不同光斑位置处的光电流进行拟合：
这样可以得到不同光斑位置处的反常线偏振光电流L1和逆自旋霍尔电流L2。图3给出了本实施例中测得的一组光电流随二分之一波片转角的实验数据以及拟合曲线。这组实验数据(图中圆形空心点)是在77K下测得，光斑中心在离两电极中点左边0.25mm处。其中，粗实线是根据公式(4)得到的拟合曲线，长虚线表示LPGE电流，短虚线和点划线是根据公式(4)拟合得到的L1和L2分量，细实线是拟合得到的背景电流，该背景电流主要是由光伏效应、丹培效应和热电效应引起的。
通过采用公式(4)对不同光斑位置处的光电流进行拟合，可以得到不同光斑位置处的逆自旋霍尔电流L2，如图4中矩形点所示。接着，我们用公式(5)对不同光斑位置处的逆自旋霍尔电流L2进行拟合，拟合结果如图4中实线所示。通过拟合，得到该情况下的自旋横向力为f0/q＝1.87×10-3N/C。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和成果进行了详尽说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种估算硒化铋中线偏振光产生的自旋横向力的方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在硒化铋样品表面上通过电子束蒸发沉积一对钛金电极，将激光依次通过斩波器、起偏器、二分之一波片，然后垂直入射在样品两电极连线的中点；调节二分之一波片，使其主轴方向与起偏器的偏振方向平行；
步骤S2：沿着两电极连线的垂直平分线，将激光光斑从两电极连线的左边按一定距逐渐移动到右边，在每一个光斑位置处，转动二分之一波片从0度到180度，每一个二分之一波片角度下的光电流通过前置放大器和锁相放大器，然后进入数据采集卡并由电脑采集；定距为0.1mm；
步骤S3：当激光光斑照射在两电极连线中点时，记录下两个电极间的电阻Rab，通过光斑分析仪测得光斑的半径r0，光斑半高宽χ；
步骤S4：当光斑照射在两电极连线中点时，测得的光电流J用如下公式进行拟合：
其中，为二分之一波片与起偏器偏振方向的夹角，拟合得到光斑在两电极连线中点处时的普通线偏振光电流JLPGE0和角度Φ0，以及背景电流y00，
当光斑照射在非两电极连线中点位置时，测得的光电流J用如下公式进行拟合：
得到不同光斑位置处的背景电流y0，JL为线偏振光相关的光电流，包括普通线偏振光电流和反常线偏振光电流，φ为拟合参数；
则不同光斑位置处的普通线偏振光电流JLPGE：
JLPGE(x)＝JLPGE0×y0(x)/y00 公式(3)
其中，x表示光斑位置坐标，y0(x)表示当光斑照射在x位置时的背景电流，用如下公式对非两电极连线中点的不同光斑位置处的光电流进行拟合：
得到不同光斑位置处的反常线偏振光电流L1和逆自旋霍尔电流L2；
步骤S5：将得到的不同光斑位置处的逆自旋霍尔电流L2用如下公式进行拟合：
其中，q为电子电量，f0为自旋横向力，r为积分变量，其取值范围为0到r0,χ为光斑的半高宽，I1为拟合参数，其中积分区间D表示由两电极和光斑中心围成的三角形区域，通过拟合即可得到自旋横向力f0。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述硒化铋为单晶结构，且其费米能级高于导带底的能量至少0.1eV。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S2中，二分之一波片每转动5度采集一次光电流。
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| CN1279765A (zh) * | 1997-10-18 | 2001-01-10 | 西门子公司 | 用来探测固体中的自旋偏振电子流的方法 |
| CN101452043A (zh) * | 2007-11-29 | 2009-06-10 | 中国科学院半导体研究所 | 一套测量电子自旋注入和滤波的显微测量系统 |
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| CN104677508A (zh) * | 2015-03-16 | 2015-06-03 | 北京航空航天大学 | 一种基于圆偏振探测光的原子自旋进动检测方法及装置 |
Non-Patent Citations (3)
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|---|
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Also Published As
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