Electronic measurement and control of spin transport in Silicon
电子自旋寿命和扩散长度是定义自旋电子器件和电路中相干性尺度的输运参数。由于这些参数在半导体中比在金属中大许多数量级，半导体可能是最适合于自旋电子学的。到目前为止，自旋输运仅在直接带隙半导体或与磁性半导体组合中测量，不包括具有间接带隙的广泛非磁性半导体。在这一组中最值得注意的是硅（Si），它（除了其在电子领域的市场地位）长期以来一直被预测为自旋电子学的优良半导体，由于低自旋轨道散射和晶格反转对称性，它具有增强的寿命和扩散长度。尽管其令人兴奋的承诺，在Si中的相干自旋输运的演示仍然难以捉摸，因为大多数实验集中在磁阻器件;这些方法失败，因为普遍的阻抗失配的障碍，并被洛伦兹磁阻和霍尔效应。在这里，我们展示了导带自旋输运跨越10微米未掺杂的硅，通过使用自旋相关的弹道热电子过滤通过铁磁薄膜的自旋注入和检测。不基于磁阻，热电子自旋注入和检测避免了阻抗失配问题，并防止寄生效应的干扰。因此，干净的集电极电流显示了自旋进动的独立的磁和电控制，并证实了硅导带中的自旋相干漂移。
2007-03-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Efficient spin accumulation carried by slow relaxons in chiral tellurium
研究发现在手性碲晶体中，Fermi表面的自旋-动量纠缠产生慢relaxon，主导自旋与轨道角动量积累，实现50%高转换效率与长自旋寿命，解决了自旋长距离传输难题。
2024-07-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Strain-Induced Modulation of Spin Splitting and Persistent Spin Textures in Low-Symmetry 2D Hybrid Perovskites: A case study of RP phase
Indian Institute of Technology Delhi（德里印度理工学院）
本研究通过应变调控揭示了低对称二维混合钙钛矿中持久自旋纹理的特性及其自旋分裂的可调性，为自旋电子学应用提供了新思路。
2025-06-02 cond-mat.mtrl-sci
Electric field control of spin lifetimes in Nb-SrTiO$_3$ by spin-orbit fields
研究了室温下氧化物半导体Nb-SrTiO $_{3}$与Co/AlO $_{x}$自旋注入接触界面处自旋积累的电场控制。面内自旋寿命$τ_\parallel$以及面外与面内自旋寿命$τ_\perp/τ_\parallel$的比率由半导体表面处的内建电场操纵，而无需任何额外的栅极接触。这种操纵的起源归因于在Nb-SrTiO $_3$表面的Rashba自旋轨道场（SOFs），并显示出与基于SOF自旋翻转散射的理论模型计算一致。此外，结可以设置在高或低电阻状态，导致$τ_\perp/τ_\parallel$的非易失性控制，与Rashba SOF强度的操纵一致。这种室温电场对自旋态的控制对于开发节能的自旋电子器件是必不可少的，并且显示出基于复合氧化物的（自旋）电子学的前景
2015-08-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Persistent spin textures in halide perovskites induced by uniaxial stress
持久的自旋织构对于自旋电子学中的应用是高度期望的，因为它们可以允许长的载流子自旋寿命。然而，它们也是罕见的，因为只有四个点群可以拥有这样的纹理，即使对于这四个群，持久自旋纹理的出现也需要耦合参数之间的微妙平衡，这些参数控制自旋-动量相互作用的强度。我们使用第一性原理密度泛函模拟来预测通过单轴应力的应用实现这些理想的自旋纹理的可能性。杂化有机-无机钙钛矿MPSnBr $_3$（MP = CH $_3$ PH $_3$）是一种铁电半导体，其在其导带最小值附近表现出持久的自旋织构，并且在其价带最大值附近主要表现出Rashba型。施加单轴应力导致价带自旋织构的逐渐演变，从主要的Rashba型持久的拉伸载荷下和纯Rashba或持久的压缩载荷下。我们还报告说，该材料具有灵活性，橡胶样的响应，和正负压电常数。这些性质的组合可以为柔性/橡胶自旋电子器件创造机会。
2022-11-22 cond-mat.mtrl-sci
Electrical spin injection, transport, and detection in graphene-hexagonal boron nitride van der Waals heterostructures: progress and perspectives
目前石墨烯自旋电子学的研究致力于在石墨烯中实现长的自旋寿命以及有效的自旋注入和检测。在这篇文章中，我们回顾了六方氮化硼（hBN）是如何演变为一个关键的衬底，作为一个封装层，并作为一个隧道势垒的操纵和控制的自旋寿命和自旋注入/检测极化在石墨烯自旋阀设备。首先，我们概述了由于传统的SiO $_2$衬底在石墨烯中的自旋输运所面临的挑战，然后是基于hBN的石墨烯异质结构所取得的进展。然后，我们详细讨论了使用传统的氧化物隧道势垒自旋注入石墨烯的缺点和发展，然后介绍了最近的进展，在使用晶体单层/双层/三层hBN隧道势垒的改进的自旋注入和检测，这也可以促进两端自旋阀和汉勒测量，在室温下，是技术的重要性。一个特殊的情况下，偏置引起的自旋极化的剥离和化学气相沉积（CVD）生长的hBN隧道势垒的接触进行了讨论。此外，我们给出了我们对利用石墨烯-hBN异质结构在石墨烯自旋电子学的未来发展的看法。
2017-12-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
High-throughput Screening of Ferrimagnetic Semiconductors With Ultrahigh N$\acute{e}$el Temperature
通过高通量密度泛函计算从近44,000结构中筛选出19种铁磁半导体，其中NaFe5O8等候选材料奈尔温度高达1059 K，为室温铁磁自旋电子学提供新途径。
2024-11-07 cond-mat.mtrl-sci
Solution-processed NiPS3 thin films from Liquid Exfoliated Inks with Long-Lived Spin-Entangled Excitons
反铁磁体在太赫兹范围内表现出自旋动力学特性，并且没有净磁化强度，是未来光-自旋电子学应用的一种很有前途的材料。近年来，层状范德华反铁磁体（vdW）被报道，它结合了低维激子性质和复杂的自旋结构。虽然存在用于制造vdW 2D晶体的各种方法，但是由于有限的可扩展性、合成复杂性或最终材料的低光-自旋电子质量，大面积和连续薄膜的形成是具有挑战性的。在这里，我们制作厘米级薄膜的范德华二维反铁磁材料NiPS 3，我们准备使用的晶体墨水从液相剥离（LPE）。我们进行统计原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM），通过这种基于油墨的制造来表征和控制层的横向尺寸和数量。利用超快光学光谱在低温下，我们解决了光激发激子的动力学。我们发现反铁磁自旋排列和自旋纠缠张赖斯多重态激子的寿命在纳秒范围内，以及ultransarrow发射线宽，尽管我们的薄膜的无序性质。因此，我们的研究结果证明了高质量NiPS 3的可扩展薄膜制造，这对于将这种2D反铁磁材料转化为自旋电子和纳米级存储器件并进一步探索其复杂的自旋光耦合态至关重要。
2023-03-21 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Carrier and Spin Coherent Dynamics in Strained Germanium-Tin Semiconductor on Silicon
锗锡是一种具有优良光子性能的材料。在这里，我们展示了光学初始化和读出自旋在这个有趣的IV族半导体合金和报告塞曼分裂水平之间的自旋量子拍下的外部磁场。我们的光学实验揭示了强大的自旋取向在很宽的温度范围内和持久的自旋寿命，在室温下接近ns政权。除了非辐射复合途径的重要见解，我们的研究结果揭示了丰富的自旋物理在传统的硅衬底上直接生长的新型外延结构。这为IV族半导体工具箱与先进的自旋电子学和光子学能力的协同富集引入了一条可行的路线。
2017-10-16 cond-mat.mtrl-sci
Efficient method for calculating magnon-phonon coupling from first principles
提出一种基于第一性原理的高效方法，通过自旋约束构型的Hellmann-Feynman力计算磁振子-声子耦合，在单层CrI₃中验证并与实验一致，并扩展到CrTe₂，强调非磁性原子的作用。
2025-01-24 cond-mat.mtrl-sci
Intrinsic persistent spin helix in 2D T-XY (X$\neq$Y=P, As, Sb and Bi)
预测具有稳定性的二维 T-XY 单层材料本征具备持久自旋螺旋，其点群对称性维持面外单向自旋，且可通过外加电场调控面内自旋分量实现开关逻辑功能。
2023-06-26 cond-mat.mtrl-sci
Current induced electron spin polarization in strained semiconductors
利用静态和时间分辨的法拉第旋转，在应变半导体中观察到电流引起的传导电子自旋的极化。电极化自旋的密度、寿命和取向率的特征在于光学和电学方法的组合。此外，利用光电导开关产生的电脉冲研究了电流诱导自旋的动力学。这些结果表明，不使用磁性材料的半导体自旋电子器件的自旋源的可能性。
2004-03-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spin-split bands cause the indirect band gap of (CH$_3$NH$_3$)PbI$_3$: Experimental evidence from circular photogalvanic effect
长的载流子寿命和扩散长度构成了有机-无机钙钛矿（CH $_3$ NH $_3$）PbI $_3$在太阳能电池和激光器中成功应用的基础。长载流子寿命背后的机制仍然没有完全理解。自旋分裂带和由此产生的间接带隙已被理论提出。利用带隙附近的左旋和右旋圆偏振光，在单晶（CH $_3$ NH $_3$）PbI $_3$器件（$4~\mathrm{K}$）中诱导出方向相反的低温光电流.这种现象被称为圆形光电效应，并为自旋分裂带中的光输运提供了直接证据。同时光致发光测量表明，光电流的发病率低于光学带隙。结果表明，（CH $_3$ NH $_3$）PbI $_3$由于能带结构中的自旋劈裂而导致反转对称性破缺，存在间接带隙.这些信息对于了解有机-无机钙钛矿的物理化学性质和寻找无铅替代品至关重要。此外，（CH $_3$ NH $_3$）PbI $_3$中的光驱动自旋电流使其成为自旋电子学应用的候选材料。
2017-03-25 cond-mat.mtrl-sci
Magnon Diffusion Length and Longitudinal Spin Seebeck Effect in Vanadium Tetracyanoethylene (V[TCNE]$_x$, $x \sim 2$)
本文扩展自旋塞贝克效应理论以纳入磁振子非守恒过程，并在分子基亚铁磁半导体V[TCNE]$_x$中观测到SSR，证实其具有室温下超长磁振子扩散长度与寿命。
2023-08-18 cond-mat.mtrl-sci
Optical Controllable Spin-Polarization in Two Dimensional Altermagnets via Robust Spin-Momentum Locking Excitons
Nanjing University of Science and Technology（南京理工大学）
研究预测反铁磁V$_2 X_2$O中存在本征自旋动量锁定激子，其具有高结合能和长寿命，实现了室温零外场下的稳健自旋极化，为先进光自旋电子学的全光操纵提供了新范式。
2025-11-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Non-magnetic semiconductor spin transistor
我们提出了一种自旋晶体管，仅使用非磁性材料，利用（110）对称量子阱中的体反转不对称性（BIA）的特性。我们发现在（110）InAs/GaSb/AlSb异质结构中由于BIA引起的极大的自旋分裂是可能的，这与（110）量子阱中自旋衰减时间的增加一起证明了BIA效应在半导体自旋电子学器件中的潜在开发。自旋注入和检测实现使用自旋相关的共振带间隧穿和自旋晶体管的行动是通过控制的电子自旋寿命在InAs横向传输通道中使用施加的电场（Rashba效应）实现。该器件也可以用作自旋阀或磁场传感器。使用非微扰14带k.p纳米结构模型计算了本文提出的自旋晶体管的电子结构和自旋弛豫时间。
2003-07-28 cond-mat.mtrl-sci
Molecular Tuning of the Magnetic Response in Organic Semiconductors
高迁移率有机半导体（OSC）的可调谐性为分子自旋电子学带来了巨大的希望。在这项研究中，我们展示了这种极端的可变性-因此潜在的可调性-的分子旋磁耦合（“g-”）张量的几何和电子结构在一类研究的OSC。该类由苯基和硫族元素（含第XVI族元素，五元）环和烷基官能团的结构主题组成，构成了几种深入研究的高迁移率聚合物和分子OSC的基础。我们展示了如何在这个类的g-张量位移，$Δg$，是由有效的分子自旋轨道耦合（SOC），定义的原子自旋密度和重原子的聚合物中的重叠。我们解释了在SOC与分子几何形状，化学成分，功能化，和电荷寿命的显着变化，使用基于原子自旋布居的第一性原理理论模型。我们的方法提供了一个指导，通过化学合成来调整这些OSC的磁响应。
2017-12-15 cond-mat.mtrl-sci
Zinc Oxide - From Dilute Magnetic Doping to Spin Transport
在过去的几年里，人们对宽带隙II-VI族半导体ZnO重新产生了兴趣，这是由自旋电子学应用的前景所引发的。首先，铁磁性预测稀磁掺杂。通过对ZnO：Co薄膜的宏观和微观性质的综合研究，没有发现载流子介导的巡游铁磁性。相纯，晶体学上优异的ZnO：Co是均匀顺磁性的。当发生相分离或缺陷形成时，由于纳米尺寸的金属沉淀物而产生超顺磁性。其他化合物如ZnO：（Li，Ni）和ZnO：Cu不显示铁磁性。其次，其小的自旋轨道耦合和相应的大自旋相干长度使得ZnO适合于在自旋电子器件中传输或操纵自旋。从光泵/光探针实验，我们发现在低温下，我们归因于绑定到Al施主的电子的顺序为15 ns的自旋退相时间。在全电磁输运测量中，我们成功地创建和检测了一个自旋极化的电子系综，并将此自旋信息传输到几个纳米。我们得出的自旋寿命为2.6 ns的这些巡回自旋在低温下，对应的结果从电泵/光探测实验。
2013-09-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Modulation of Spin-Orbit Coupling, Spin Textures, and Rashba-Edelstein Response in Chiral Tellurium: A First-Principles Study
Department of Physical Science, Sherubtse College, Royal University of Bhutan（不丹皇家大学 Sherubtse 学院物理科学系）
本研究利用第一性原理计算，系统揭示了用较轻（S、Se）或较重（Sb）元素替代手性碲可调控其自旋-轨道耦合、自旋织构与Rashba-Edelstein响应，为无磁自旋电子器件的设计提供了实验指导。
2026-10-06 cond-mat.mtrl-sci
Theory of Electron Spin Relaxation in ZnO
掺杂ZnO是一种很有前途的自旋电子学材料。对于这样的应用，重要的是要了解自旋动力学，特别是这种II-VI族半导体的自旋相干性。自旋寿命$τ_{s}$已被测量的光学取向实验，它显示了一个令人惊讶的非单调行为与温度。我们解释这种行为，通过调用本地化和扩展状态之间的自旋交换。有趣的是，尽管价带分裂相对较小，但自旋轨道耦合的影响绝不是可以忽略的。这是由于ZnO的纤锌矿晶体结构。详细的分析使我们能够表征杂质的结合能和密度，表明光学取向实验可以用作半导体样品的表征工具。
2009-02-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spin transport and spin dephasing in zinc oxide
宽带隙半导体ZnO由于其小的自旋轨道耦合意味着大的自旋相干长度而在自旋电子学应用中引起了人们的兴趣。利用具有铁磁电极的垂直自旋阀器件（TiN/Co/ZnO/Ni/Au），在全电实验中研究了ZnO上自旋极化输运。测量的磁电阻与自旋相关的界面电阻的双自旋通道模型的预测吻合得很好。拟合得到ZnO的自旋扩散长度分别为10.8nm（2K）、10.7nm（10 K）和6.2nm（200 K），对应的自旋寿命分别为2.6ns（2K）、2.0ns（10 K）和31 ps（200 K）。
2012-08-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Semiconductors between spin-polarized source and drain
将自旋注入到半导体沟道中并将自旋信息转换为有效的电输出信号是自旋电子学中的一个长期存在的问题。实际上，这是自旋晶体管的几个概念的前提。在这篇教程文章中，我们将讨论在源极和漏极之间的沟道中自旋输运的一般问题。必须掌握两个问题：i）在扩散机制中，来自磁性金属的自旋极化电流的注入超出弹道输运区需要插入自旋相关的且足够大的界面电阻。ii）在扩散和弹道机制中，以及无论源极/漏极的金属或半导体特性如何，足够小的界面电阻是保持停留时间短于自旋寿命的条件，从而将自旋累积诱导的输出信号保持在最佳水平。实际上，主要困难来自第二个条件。在我们的实验结果介绍中，我们展示了为什么自旋信息转化为一个大的电信号已经更容易实现与碳纳米管比与半导体，我们讨论了如何在后一种情况下可以改善这种情况。
2006-12-19 cond-mat.mtrl-sci
Ultrahigh lattice thermal conductivity in topological semimetal TaN caused by large acoustic-optical gap
拓扑半金属在拓扑量子比特、自旋电子学和量子计算等方面具有潜在的应用前景。有效的散热是拓扑半金属基纳米电子器件可靠性和稳定性的关键因素，这与高热导率密切相关。本文采用第一性原理计算和线性化的声子Boltzmann方程，在单模弛豫时间近似下，研究了TaN的弹性性质和晶格热导率。根据计算的体积模量、剪切模量和$C_{44}$，TaN可以看作是一种潜在的不可压缩硬质材料。室温晶格热导率沿a轴为838.62 $\mathrm{W m^{-1} K^{-1}}$，沿c轴为1080.40 $\mathrm{W m^{-1} K^{-1}}$，显示出很强的各向异性。结果表明，TaN的晶格热导率比TaAs、MoP、ZrTe等拓扑半金属高几十倍，这是由于TaN的声子寿命比其它拓扑半金属长得多。Ta和N原子的原子质量非常不同，导致非常大的声光带隙，然后阻止声学和光学声子模式之间的散射，这导致非常长的声子寿命。基于质量差因子，WC和WN可以被视为具有双晶格热导率的潜在候选者。计算结果表明，同位素散射对晶格热导率的影响很小，300 K时平均自由程大于20（80）$\mathrm{μm}$的声子对总晶格热导率的贡献很小.这项工作意味着，由于有效的散热，基于TaN的纳米电子器件可能会更加稳定和可靠。
2017-11-19 cond-mat.mtrl-sci
Superlative spin transport of holes in ultra-thin black phosphorus
该研究利用栅压调控黑磷自旋阀，在非局域结构中揭示空穴自旋输运显著优于电子，获得350 Ω信号与超过16 ns寿命。
2025-02-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Bipolar polaron pair recombination in P3HT/PCBM solar cells
有机半导体的独特性质使其成为从发光二极管到晶体管的许多应用的通用基础材料。碳基材料典型的低自旋-轨道耦合和由此产生的长自旋寿命引起电子自旋对电荷传输的很大影响，这可以在自旋电子器件中利用或提高太阳能电池效率。磁共振技术特别有助于阐明半导体中顺磁态的微观结构以及它们所参与的输运过程。然而，在有机器件中，占主导地位的自旋相关过程的性质仍然受到相当大的争论。使用多频脉冲电检测磁共振（pEDMR），我们表明，在低温下的自旋相关的P3 HT/PCBM太阳能电池的响应是由双极极化子对重组涉及的正，负极化子在P3 HT和PCBM，分别，从而排除单极双极化子形成的自旋相关的电荷转移的主要贡献，在这个温度制度。此外，还确定了极化子-极化子耦合强度和具有平行自旋和反平行自旋的极化子对的复合时间。我们的研究结果表明，最近开发的pEDMR脉冲序列的无机半导体器件可以非常成功地转移到有机半导体中的自旋和电荷输运的研究，特别是当不同的极化子可以区分光谱。
2015-05-06 cond-mat.mtrl-sci
Ultrafast Momentum-resolved Hot Electron Dynamics in the Two-dimensional Topological Insulator Bismuthene
二维量子自旋霍尔（QSH）绝缘体是一类基于其边缘中的拓扑保护自旋电流的自旋电子学应用的有前途的材料。然而，它们还没有实现其技术潜力，因为实验实现是稀缺的，并限于低温。这些限制也严重限制了其动力学特性的表征。在这里，我们报告的电子动力学的新的室温QSH候选人铋后，光激发使用时间和角度分辨的光电子能谱。我们绘制了瞬态占据的导带，并跟踪热光载流子的完整弛豫路径。有趣的是，我们观察到的光生载流子寿命比\red{conventional}半导体短得多。这是由于存在的拓扑间隙状态已经建立了本地探针。事实上，我们发现光谱特征与这些早期的发现一致。大的带隙的证明和光电子动力学的观点标志着QSH功能的光学控制的关键一步。
2022-06-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Optical spin pumping in silicon
Università degli Studi di Milano-Bicocca（米兰比可卡大学）；Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）
研究通过光学自旋定向在硅中产生非平衡自旋极化载流子，利用Ge-on-Si异质结观察到高达9%的极化发光，揭示了自旋注入与载流子寿命缩短的关联。
2025-06-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
