如何在半導體材料體系中產生自旋極化是半導體自旋電子學領域的關鍵科學問題，受到科研人員的廣泛關注。常規方法是在磁性金屬/半導體異質結中，通過自旋極化電流在半導體中注入凈自旋。若能在非磁性半導體材料體系中產生自旋極化，將能有效避免磁性金屬/半導體異質結中碰到的電導失配等難題，從而為相關自旋電子學效應的研究提供更多豐富選擇。

中國科學院半導體研究所趙建華研究員團隊與美國佛羅里達州立大學熊鵬教授團隊在半導體自旋電子學領域開展了長期合作攻關，提出利用手性與自旋極化的相互轉換產生自旋流（即“手性誘導自旋選擇性效應”，Chirality-Induced Spin Selectivity，CISS） 的新型方案，用于在半導體中產生自旋極化。科研團隊以“手性分子/半導體GaAs溝道”為核心構建橫向自旋電子器件（圖1a、b），觀察到了表征自旋成功注入到半導體GaAs溝道中的Hanle信號（圖1c）。

通過系統測試和分析Hanle信號隨偏置電流的變化關系，科研團隊發現Hanle信號的偏置電流依賴關系遵循普適的標度律，即不同器件在不同溫度下的變化規律均可以用同一個函數關系進行描述（圖2）。類似的普適標度律也存在于Hanle信號與溫度的依賴關系中（圖3），相關實驗數據可以理解為自旋注入和自旋弛豫過程的共同作用結果。該項工作不僅為全面深入理解CISS的機理提供了更多的實驗證據，還為研制新型半導體自旋電子器件提供了新思路。

該項工作以“Chirality-Induced Magnet-Free Spin Generation in a Semiconductor”為題，近日發表于《先進材料》（Advanced Materials，文章鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.202406347）。佛羅里達州立大學柳天寒博士、Yuwaraj Adhikari和半導體所王海龍副研究員為論文的共同第一作者，半導體所趙建華研究員和佛羅里達州立大學柳天寒博士、熊鵬教授為共同通訊作者，合作者還包括魏茨曼科學研究所顏丙海教授、加利福尼亞大學洛杉磯分校Paul S. Weiss教授等。

該項工作建立在前期系列合作成果的基礎上，主要包括：（1）成功構建出“手性分子/半導體”自旋閥器件，通過深入研究自旋閥信號對電流和電壓的依賴行為，為建立合理的物理模型提供了重要實驗證據。相關結果以“Linear and Nonlinear Two-Terminal Spin- Valve Effect from Chirality-Induced Spin Selectivity”為題發表于《美國化學會-納米》（ACS NANO，文章鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c07438）。（2）系統研究了具有不同自旋軌道耦合強度的金屬電極對器件磁電導的影響，揭示了手性與電子自旋極化的轉換機理。相關工作以“Interplay of structural chirality, electron spin and topological orbital in chiral molecular spin valves”為題發表于《自然-通訊》（Nature Communications，文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40884-9）。

上述工作得到了科技部、中國科學院和國家自然科學基金委的項目經費資助。

圖1 (a) 橫向自旋電子器件的結構示意圖及原理示意圖; (b) 橫向自旋電子器件的等效電路圖; (c) 實驗測得的典型Hanle信號

圖2 Hanle峰值信號的普適偏置電流依賴關系。器件S1在不同溫度下 (a) Hanle峰值信號隨偏置電流的變化曲線; (b) 歸一化Hanle峰值信號的偏置電流依賴曲線。溫度為0.4 K時三個不同器件的 (c) Hanle峰值信號隨偏置電流的變化曲線; (d) 歸一化Hanle峰值信號的偏置電流依賴曲線

圖3 Hanle信號的普適溫度依賴關系。(a) 器件S1在不同溫度下的Hanle信號。(b) Hanle峰值信號隨溫度的變化曲線; (c) 歸一化Hanle峰值信號的溫度依賴曲線。(d) 三個不同器件的Hanle峰值信號隨溫度的變化曲線; (e) 歸一化Hanle峰值信號的溫度依賴曲線