日本东北大学查明单晶铂薄膜的自旋传导机理

多晶与单晶铂的自旋弛豫时间

自旋弛豫模型

日本东北大学2016年6月30日宣布，制作了自旋轨道相互作用很强的金属铂(Pt)的单晶薄膜，通过详细分析量子干涉效应的薄膜厚度依赖性，查明了薄膜的自旋传导机理。发现单晶铂薄膜的自旋弛豫时间与电子散射时间成反比，电子自旋是边进动边传导。

铂因为自旋轨道相互作用强，极有希望作为创造自旋轨道转矩和自旋塞贝克效应的电动势的材料。而且在最近，使用自旋流使磁体的磁化方向发生反转的自旋轨道转矩作为一项新的磁化反转技术备受关注。另一方面，作为代表自旋霍尔效应强度的指标，在使用不同的测量方法和试料制作方法时，铂的自旋霍尔角(自旋流/电荷流：电流与自旋流的转换效率)会相差接近1位数，因此需要探明铂中的自旋传导现象。

这一次，研究人员在氧化镁(MgO(111))基板上制作铂的单晶超薄膜，与在砷化镓(GaAs(001))基板上制作的多晶铂薄膜比较了量子干涉效应(磁导性能)的膜厚依赖性。结果显示，对于铂多晶薄膜，已知的Elliot-Yafet自旋弛豫机理发挥着支配作用。这表明电子自旋因杂质等散射势垒发生散射时，自旋方向将反转，自旋弛豫时间与电子散射时间成正比。

而对于铂单晶薄膜，Dyakonov-Pelel自旋弛豫机理发挥着重要作用。也就是说，对于化合物半导体和表面等空间反演对称性被打破的系统，电子自旋会通过自旋轨道相互作用感应到有效磁场，在边进动边传导的过程中产生的自旋弛豫机理的作用下，自旋弛豫时间与电子散射时间成反比。

这一结果表明，化合物半导体异质结构中著名的Rashba自旋轨道相互作用对自旋弛豫有贡献，通过电场可以控制自旋进动。有望为自旋电子学提供新的知识和设计方针，例如使用自旋转矩的磁体磁化反转技术、自旋塞贝克效应等。

该研究项目得到了日本学术振兴会科学研究费资助事业的资助。研究成果已于2016年6月22日在美国科学杂志《Physical Review Letters》的网络版上刊登。