[论文解读] PT-symmetry enabled spin circular photogalvanic effect in antiferromagnetic insulators

Ruixiang Fei, Wenshen Song+2 more|PubMed|Apr 16, 2021

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics被引用 4

一句话总结

本文提出在反铁磁绝缘体中实现一种由PT对称性增强的自旋圆偏振光电流效应（自旋-CPGE），其中圆偏振光通过类似‘注入电流’的机制产生纯自旋电流，且不伴随净电荷流动。在双层CrI3和赤铁矿中的第一性原理模拟显示，显著的自旋光电流与铁电体中的电荷光电流相当，且对自旋-轨道耦合不敏感，从而在室温下实现稳定、超快的自旋电流。

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.

研究动机与目标

• 解决在室温下于反铁磁绝缘体中产生高度极化自旋电流的挑战。
• 探索在非磁性、绝缘体系中实现无净电荷电流的纯自旋电流生成机制。
• 利用反铁磁材料中的PT对称性，实现一种稳定、光驱动的自旋-光电流效应。
• 识别自旋-CPGE显著且对自旋-轨道相互作用不敏感的材料与条件。
• 展示利用光致自旋电流实现超快、温度鲁棒的自旋电子器件的可行性。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，模拟PT对称性反铁磁绝缘体中的自旋-光电流响应。
• 分析时间反演对称性与宇称对称性（PT对称性）的相互作用，以揭示非零自旋光电流的产生机制。
• 使用‘注入电流类似’机制描述圆偏振光激发下自旋电流的生成过程。
• 在双层CrI3和室温下的赤铁矿中计算自旋与电荷光电流，作为典型体系。
• 评估自旋-CPGE对自旋-轨道耦合强度和材料对称性的依赖性。
• 验证该效应在具有PT对称性的不同反铁磁绝缘体中的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 PT对称性反铁磁绝缘体是否能在无净电荷电流的情况下支持自旋圆偏振光电流效应？
• RQ2 在PT对称性反铁磁绝缘体（如双层CrI3和赤铁矿）中，自旋光电流的大小和鲁棒性如何？
• RQ3 自旋-CPGE机制是否如传统假设的那样，独立于自旋-轨道耦合？
• RQ4 PT对称体系中的自旋-CPGE与铁电材料中的电荷光电流在定量上如何比较？
• RQ5 该效应是否可被用于实现超快、室温下的自旋电子应用？

主要发现

• 在PT对称性反铁磁绝缘体中，自旋-CPGE产生的自旋光电流在量级上与铁电材料中观测到的电荷光电流相当。
• 即使在缺乏强自旋-轨道耦合的条件下，自旋光电流依然保持稳定且显著，挑战了传统上对自旋-轨道效应的依赖。
• 第一性原理模拟证实，在圆偏振光照射下，双层CrI3和室温赤铁矿中均存在非零的自旋-光电流。
• 该机制通过PT对称性所支持的‘注入电流类似’过程实现，可在无净电荷流动的情况下生成纯自旋电流。
• 该效应对自旋-轨道相互作用不敏感，表明其为自旋电流生成提供了一条根本不同且可能更具通用性的新途径。
• 结果表明该效应可广泛适用于多种PT对称性材料，包括弱相对论性磁性绝缘体和拓扑轴子绝缘体。