研究背景 自旋电子学利用电子的自旋自由度进行信息传输与处理。其中，纯自旋电流由于不同自旋通道携带相反方向的电流、而总电荷电流接近于零，被认为是降低电荷输运损耗并实现高效自旋操控的重要载体。传统纯自旋流往往依赖重金属中的强自旋轨道耦合进行自旋-电荷转换，这不仅限制了可选材料体系，也可能带来额外的焦耳热和界面损耗。另一方面，光激发具有非接触、响应快和可调控性强等特点，为自旋流的产生与操控提供了另一条路径。特别是飞秒尺度的光激发与反铁磁及交错磁体系的超快自旋动力学天然匹配，使光与新型补偿磁体之间的耦合成为自旋光电子学的重要研究方向。 近年来受到广泛关注的交错磁（altermagnetism）在实空间中保持零净磁矩，但在动量空间中能够产生显著的、具有晶体对称性特征的非相对论自旋劈裂，因此兼具传统反铁磁体无杂散场和铁磁体强自旋选择性的部分优势。目前，交错磁器件研究主要集中在隧穿磁阻、霍尔输运等电子学方向，而如何将其动量依赖的自旋选择性进一步用于光电器件，仍有较大的探索空间。 研究内容 针对这一问题，湖北民族大学李强教授、新加坡科技设计大学 Ang Yee Sin 教授及方世博博士等提出了一种“交错磁自旋光伏电池”概念。器件采用金属-半导体-金属结构，由非磁、中心对称的 ZnSe 半导体层夹在两个金属交错磁 V2Te2O 电极之间。其核心思想并不是让半导体本身直接产生自旋极化光生载流子，而是利用两侧交错磁电极提供互补的自旋选择性输运通道，对光生载流子进行方向相关的自旋筛选。 图 1. 交错磁自旋光伏电池的器件构型及工作原理。平行（P）态下左右电极等价，各自旋通道的光电流受对称性约束而趋近于零；反平行（AP）态下，两侧电极提供互补的自旋选择性通道，使不同自旋载流子向相反方向提取。 当两个交错磁电极的 Néel 矢量处于平行（P）构型时，器件左右保持等价，交换两侧电极会反转电流方向而不改变自旋通道，因此每个自旋分辨光电流均受到对称性约束而接近于零。相反，在反平行（AP）构型下，两个电极可以视为具有相反 Néel 矢量的互补自旋选择性接触：ZnSe 中光激发产生的载流子初始仍是自旋简并的，但随后自旋向上和自旋向下的载流子分别更容易向相反电极输出，从而得到大小近似相等、方向相反的两个自旋分辨光电流。两者的电荷分量相互抵消，而自旋分量相加，因此形成有限的纯自旋光电流。 作为材料实现，研究选取二维交错磁金属 V2Te2O 作为电极。该材料具有典型的 d-wave 交错磁自旋劈裂：沿不同高对称方向，自旋向上和自旋向下能带会发生互换，并在费米面上形成明显的动量依赖自旋纹理；光敏区域选用非磁半导体 ZnSe。 本研究的器件级量子输运模拟主要通过 QuantumATK 软件完成。借助 QuantumATK 的第一性原理器件计算框架，研究团队搭建了由 V2Te2O 交错磁电极和 ZnSe 半导体组成的两探针光伏器件，并采用 DFT+NEGF 方法处理电极—散射区—电极开放体系的量子输运问题。在光照条件下，进一步计算自旋向上和自旋向下两个通道的光电流及光响应度，并系统考察光子能量、线偏振/圆偏振、偏振角以及电极 Néel 构型对光响应的影响。QuantumATK 的器件级计算使材料本征的交错磁自旋劈裂能够直接与可观测的自旋光电流建立联系，从而验证“交错磁自旋光伏电池”的工作机制。 图 2. 交错磁自旋光伏器件的第一性原理光响应（a）器件结构（b）线偏振光下的自旋分辨光响应（c）圆偏振光下的自旋分辨光响应（d）4 eV 光子能量下光响应随偏振角的变化 计算表明，在 AP 构型和 4 eV 线偏振光下，自旋向上和自旋向下的光响应度分别约为 −5.69 和 5.80 mA/W，净电荷光电流显著抵消，而纯自旋光电流保持有限；P 构型下两个自旋光响应均接近于零。该纯自旋光电流在线偏振和圆偏振光下均可出现，并可通过光子能量、偏振角及电极晶向进行调节。 总结 本工作提出并通过第一性原理量子输运计算验证了一种基于 V2Te2O/ZnSe/V2Te2O 异质结的交错磁自旋光伏电池。与依赖磁性吸收层自身产生自旋光电流的方案不同，该器件将“光生载流子产生”和“自旋选择性提取”分别交给非磁半导体和交错磁电极完成。在反平行 […]
