背景简介
近些年来，针对反铁磁中新奇物理和应用的研究逐渐成为凝聚态物理的研究热点。相对于铁磁体，反铁磁具备包括超快的太赫兹（THz）自旋动力学、对外部磁场扰动的强大稳健性以及不存在杂散磁场等优越的性质，这使得反铁磁体在下一代高度集成和超快记忆设备中具有很高的前景。与铁磁存储器件不同，反铁磁（AFM）存储器件的功能依赖于奈尔矢量（$M_{\mathrm{Néel}}$）的操纵，它被定义为$M_{Néel}=M_{1}-M_{2}$，其中$M_{1}$, $M_{2}$分别代表磁子晶格的磁矩。由于反铁磁本身不显示整体磁性，因此奈尔磁矩很难被传统方法如外加磁场或者施加自旋极化电流所转换。针对此问题，中国科学院固体物理所邵定夫课题组最先提出了奈尔自旋流的概念[Phys. Rev. Lett. 130, 216702 (2023)]。他们提出在满足特定结构条件的PT-对称的反铁磁系统中可以通过施加偏压形成一股分布在不同磁子晶格的交错自旋流，他们命名为奈尔自旋流。这种奈尔自旋流可以扭转奈尔磁矩。
研究内容
近日，吕劲课题组博士生方世博等人提出在PT-对称的反铁磁系统，通过光激发的方式同样可以产生奈尔自旋流。并且和线性响应的电激发的奈尔自旋流不同，光激发奈尔自旋流是一种非线性效应，其产生的奈尔自旋流形式也远远复杂的多。具体表现为光激发的奈尔自旋流会表现为两种形式，一种是不同磁子晶格的交错自旋流，另一种是不同子晶格中的反平行自旋流, 他们的区别在于自旋体光伏效应的PT对称性。前者可以扭转奈尔磁矩，后者可以将反铁磁转化为铁磁。而这两种机理的产生机制也是不同的，前者对应于自旋体光伏效应中的线偏注入电流和圆偏位移电流，后者对应自旋体光伏效应中的线偏位移电流和圆偏注入电流。
结合理论分析，文中也以双层反铁磁 $\mathrm{CrSBr}$ 和 $\mathrm{CrI}_\mathrm{3}$ 为例分别计算了这两种体系中的光激发奈尔自旋流。输运计算使用了 QuantumATK 中第一性原理结合量子输运的模块，该模块可以计算在一阶波恩近似的精度下，体系在光照后产生的光电流以及其自旋分量。同时，此项研究也表征了双层反铁磁 $\mathrm{CrSBr}$ 中电激发的奈尔自旋流和其产生的分层的自旋转移矩。
该工作以“Light-Assisted Néel Spin Currents in PT-symmetric Antiferromagnetic Semiconductors“ 发表在Physical Reviews B。
总结
在这项工作中，作者提出可以通过光激发的方式也能在 PT 系统中产生奈尔自旋流。这种光激发的 Néel 自旋电流包括沿不同磁亚晶格分布的交错或反平行自旋电流，取决于其相应自旋光电极系数的 PT 对称性。在半导体中光激发的 Néel 自旋电流多样表现的起因在于 spin photogalvanic 效应本身是非线性的，因此其对应的自旋极化电流不一定是PT-偶的。以 和 $\mathrm{CrI}_\mathrm{3}$ 为例，作者使用QuantumATK 软件中的第一性原理计算结合量子输运方法验证了上述理论。此工作工作提出了可以利用光电相互作用实现反铁磁存储器的写入功能。
参考
- Light-Assisted Néel Spin Currents in PT-symmetric Antiferromagnetic Semiconductors. Phys. Rev. B 109, 085201 (2024) DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.085201