[논문 리뷰] PT-symmetry enabled spin circular photogalvanic effect in antiferromagnetic insulators

Ruixiang Fei, Wenshen Song외 2명|PubMed|2021. 04. 16.

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 반도체에서의 PT 대칭성에 기반한 스핀 순환광전효과(스핀-CPGE)를 제안하며, 원자구조가 비대칭이지만 순수한 스핀 전류만 생성하고 순전하 흐름이 없는 원형 편광 빛에 의해 작용하는 '주입전류 유사' 메커니즘을 통해 실온에서 초고속 순수 스핀 전류를 생성한다. 이중층 CrI3와 헤마티트에서 수행된 밀도함수이론(DFT) 기반의 첫 번째 원리 시뮬레이션 결과, 페로일렉트릭 물질에서 관측된 전하 광전류와 유사한 크기의 스핀 광전류가 나타나며, 스핀-오비트 결합에 민감하지 않아 실온에서 강건하고 초고속의 스핀 전류를 생성할 수 있다.

ABSTRACT

The short timescale spin dynamics in antiferromagnets is an attractive feature from the standpoint of ultrafast spintronics. Yet generating highly polarized spin current at room temperature remains a fundamental challenge for antiferromagnets. We propose a spin circular photogalvanic effect (spin CPGE), in which circularly polarized light can produce a highly spin-polarized current at room temperature, through an "injection-current-like" mechanism in parity-time (PT)-symmetric antiferromagnetic (AFM) insulators. We demonstrate this effect by first-principles simulations of bilayer CrI_{3} and room-temperature-AFM hematite. The spin CPGE is significant, and the magnitude of spin photocurrent is comparable with the widely observed charge photocurrent in ferroelectric materials. Interestingly, this spin photocurrent is not sensitive to spin-orbit interactions, which were regarded as fundamental mechanisms for generating spin current. Given the fast response of light-matter interactions, large energy scale, and insensitivity to spin-orbit interactions, our work gives hope to realizing fast-dynamic and temperature-robust pure spin current in a wide range of PT-symmetric AFM materials, including topological axion insulators and weak-relativistic magnetic insulators.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 반도체에서의 스핀 전류를 고도로 극화시키는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 비자기성, 절연체 시스템에서 순전하 전류 없이 순수한 스핀 전류를 생성할 수 있는 메커니즘을 탐색하기 위해.
• 반도체 물질에서 PT 대칭성을 활용하여 강건하고 빛에 의해 유도되는 스핀 광전류 효과를 가능하게 하기 위해.
• 스핀-CPGE가 크고 스핀-오비트 상호작용에 민감하지 않은 물질과 조건을 규명하기 위해.
• 빛에 의해 유도된 스핀 전류를 활용해 초고속, 실온에 강건한 스핀트로닉스 장치의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• PT 대칭성을 가진 반도체 절연체에서의 스핀 광전류 반응을 모델링하기 위해 밀도함수이론(DFT) 기반의 첫 번째 원리 계산을 수행한다.
• 시간역전대칭과 공간역전대칭의 상호작용(PT 대칭)이 비영인 스핀 광전류를 가능하게 하는 메커니즘을 분석한다.
• 원형 편광 빛으로부터 스핀 전류를 생성하는 데 사용된 '주입전류 유사' 메커니즘을 기술한다.
• 이중층 CrI3와 실온에서의 헤마티트를 대표적인 시스템으로 삼아 스핀 및 전하 광전류를 계산한다.
• 스핀-오비트 결합 강도와 물질 대칭성에 따른 스핀-CPGE의 의존도를 평가한다.
• PT 대칭성을 가진 다양한 반도체 절연체에서 이 효과의 강건성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PT 대칭성을 가진 반도체 절연체에서 순전하 전류 없이 스핀 순환광전효과를 지원할 수 있는가?
• RQ2 이중층 CrI3와 헤마티트와 같은 PT 대칭성을 가진 반도체 절연체에서 스핀 광전류의 크기와 강건성은 어떠한가?
• RQ3 기존의 스핀 전류 생성 방식에서 예상하던 바와 같이, 스핀-CPGE 메커니즘이 스핀-오비트 결합에 의해 영향을 받는가?
• RQ4 PT 대칭성을 가진 시스템에서 스핀-CPGE는 페로일렉트릭 물질의 전하 광전류와 정량적으로 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 효과는 초고속, 실온에서의 스핀트로닉스 응용에 활용될 수 있는가?

주요 결과

• PT 대칭성을 가진 반도체 절연체에서의 스핀-CPGE는 페로일렉트릭 물질에서 관측된 전하 광전류와 유사한 크기의 중요한 스핀 광전류를 생성한다.
• 강한 스핀-오비트 결합이 없는 조건에서도 스핀 광전류는 강건하고 뚜렷하게 유지되며, 기존의 스핀-오비트 효과 의존성에 도전한다.
• 첫 번째 원리 시뮬레이션을 통해 원형 편광 빛 조사 조건에서 이중층 CrI3와 실온 헤마티트에서 비영인 스핀 광전류가 확인된다.
• 메커니즘은 PT 대칭성에 의해 유도된 '주입전류 유사' 과정을 통해 작용하며, 순전하 흐름 없이 순수한 스핀 전류를 생성할 수 있다.
• 이 효과는 스핀-오비트 상호작용에 민감하지 않아, 스핀 전류 생성을 위한 본질적으로 다른, 잠재적으로 더 넓은 응용 범위를 가진 길을 제시한다.
• 결과적으로 이 효과는 약한 상대론적 자기 절연체 및 토폴로지적 아크션 절연체를 포함한 다양한 PT 대칭 물질에 광범위하게 적용 가능하다고 제안된다.