钙钛矿又发《nature materials》！

研究背景

利用自旋和热流之间的相互作用是自旋热电子学领域的焦点研究内容，由于非磁性材料的对称性破坏，具有角动量的手性声子能够在室温下响应热梯度产生自旋电流，而并不需要铁磁接触。

研究结果

北卡罗莱纳州立大学严亮、杨聪、Kyunghoon Kim等展示了在非磁性二维层状混合有机-无机钙钛矿（手性HOIP）中，施加热梯度信号时，由手性声子产生的自旋电流的观察结果。产生的自旋电流展现出了强烈的膜手性和外部磁场的依赖性。其中系数比已报道的自旋塞贝克（CPASS）效应产生的系数大几个数量级。此研究证明了手性声子在自旋热电子应用中的潜力，并为在没有磁性材料的情况下产生自旋提供了一条新的途径。

相关研究工作以”Chiral-phonon-activated spin Seebeck effect”为题发表在国际顶级期刊《nature materials》上。 

 图文速递

CPASS效应将两种类型的耦合玻色子集体激发（即声子和磁振子）结合在一起，当给磁性材料施加热梯度时，CPASS效应诱导在与热梯度方向平行的导体中产生非平衡自旋电流（自旋角动量流）（图1a）。

手性是一个系统的几何可分辨性质，不具有反转对称性，即镜像平面或滑动面对称，声子可以获得本征手性（即手性声子），最近在单层WSe2的原子晶格中发现了这一点，由于WSe2的二维（2D）六方晶格的断裂反转对称性，在没有外部磁场的情况下，顺时针和逆时针声子模型出现，表现出明确的角动量，它可以被转移并通过电子-声子和光学散射改变激发电子或空穴的自旋状态，传播的手性声子可以传递其角动量，并以与CPASS效应相同的方式在相邻导体中驱动非平衡自旋电流，但不需要磁性元素（图1b）。

应用超快激光脉冲诱导瞬态温度梯度，观察非磁性2D手性HOIP中手性声子激活的CPASS效应，通过时间分辨磁光克尔效应（TR-MOKE）测量手性声子在相邻非磁性导体中产生的瞬态自旋电流。测量发现，在振荡自旋极化矢量中产生的自旋电流可以持续约4ns，在千兆赫兹频率范围内。产生的自旋电流的相位与HOIP的手性密切相关，通过在相邻磁性层上施加自旋转移力矩（STT）进一步确认该自旋电流，该自旋转移力矩导致随后的磁化进动。揭示了沿手性轴产生的CPASS效应引起的自旋电流的时间依赖性（图1b），CPASS效应诱导的自旋电流表现出强烈的磁场依赖性，证明界面处的可调谐电子自旋声子受热梯度驱动。

图1c为实验示意图，制备一种半导体，它由手性材料和非磁性Cu层组成，2D手性HOIP的晶体结构示意图见图1c，它们由交替的有机化合物层和共角金属卤化物八面体的无机框架组成。采用X射线衍射测试制备的半导体层发现层状结构具有垂直于HOIP平面的c轴纹理。使用电子束汽化将非磁性Cu层沉积在手性HOIP上。

 泵浦激光脉冲激发Cu层并产生瞬态温度梯度，温度梯度贯穿于整个半导体装置，从上层的Cu层至底部的手性HOIP/Si，热电流沿着手性HOIP内的热梯度流动，驱动手性声子的传播，手性声子与电子相互作用，在不需要外加磁场的情况下产生自旋电流，自旋电流在Cu层中积累，以自旋极化方向扩散到顶部表面。 

一、CPASS效应产生振荡自旋电流

图2a-c描绘了使用一系列泵浦激光脉冲照射时Cu/手性HOIP中瞬态和空间热响应的示意图，该样品中的瞬态热响应与全金属双层样品（Cu/Ni对照样品）明显不同，在Cu/Ni样品中，超短激光脉冲激发Cu层，导致热能从Cu侧快速传输到Ni层，由于金属的高热导率，瞬态热梯度在皮秒时间尺度上快速建立。相比之下，在Cu/手性HOIP样品中，由于HOIP层的低导热性，由泵脉冲沉积的热能以比纳秒时间更长的时间内缓慢衰减，除了瞬态交流电，整个样品上产生了直流电（图2b）。

图2d显示了具有相反手性的两种不同类型的手性HOIP的Cu侧探测到的时间分辨磁光克尔旋转信号，即Cu/(S-MePEA)PbI4 (~150 nm)和Cu/(R-MePEA)2PbI4 (~150 nm)。在几皮秒内信号发生急剧变化后，在~2 GHz附近发现持续续达~4ns的缓慢衰减 的振荡信号，在Cu/Si或Cu/非手性/Si对照样品中未检测到类似的信号，从而排除了高能激光加热时金属层中可能的红外效应，当HOIP的手性从左手（S，红色）变为右手（R，蓝色）信号发生反转。

与在对照Cu/Ni/SiO2/Si样品中测量的超快自旋相关CPASS效应引起的瞬态信号相比，使用相同的设置，观测到的信号是由交流热梯度引起的Cu层中的自旋积累引起的。扩散自旋传播速度约为100 nm /ps；因此，穿过50nm厚Cu层的瞬态时间小于0.5 ps，在亚纳秒到几纳秒的时间尺度上观察到的瞬态自旋信号暗示了通过CPASS效应的长时间自旋电流产生过程。这与所有金属导体中皮秒时间尺度上的超快去磁或CPASS效应产生的快速衰减的自旋电流形成对比。此外，由于TR -MOKE装置对平面外自旋极化更为敏感，自旋电流的振荡特征揭示了一种可辨别的、丰富的由手性声子驱动的电子自旋-声子耦合，这与由-由手性HOIP材料中的手性诱导自旋选择性（CISS）效应引起的自旋信号的单调快速衰减形成鲜明对比。

 二、CPASS效应驱动的自旋扭矩（STT）

为了验证CPASS效应响应温度梯度产生的自旋电流，检查相邻铁磁层上自旋电流产生的扭矩，即超速自旋扭矩。STT配置如图3a所示，将超铁磁NiFe薄层覆盖在Cu/手性HOIP上。CPASS驱动的自旋电流平面外自旋极化，施加倾斜的外部磁场时，这种极化部分横向于NiFe层，通过吸收这种自旋电流，NiFe层通过STT充当自旋阱，导致磁化的进动，这将通过极性TR-MOKE测量来检测。NiFe层的磁化动力学可以使用包含STT的Landau–Lifshitz–Gilbert–Slon-czeswski方程来描述。图3b在B = 0 mT条件下测量NiFe/Cu/(S-MePEA)2PbI4的NiFe层上的时间分辨克尔信号，直接验证了CPASS驱动的STT，在相同的千兆赫频率（~2 GHz）下，观察到了清晰的的持续的振荡信号，这与图2d一致，在没有外部磁场的情况下，预计不会出现磁化进动，信号的产生验证了由CPASS效应驱动的时间相关自旋电流产生的超快STT信号。

图3e，f显示了以NiFe为对照样品，在倾斜磁场（B ≈ ±180mT，垂直于样品平面70°条件下，NiFe/Cu/(S/R-MePEA)2PbI4中的时间分辨磁光克尔信号。在泵浦激光激励下，揭示了NiFe层中的两种进动：（1）在短时间内（t < 1ns），在铁磁共振（FMR）条件下，R和S手性样品都表现出由NiFe层的超快退磁和再磁化引起的高频进动，定义为“FMR模式”。（2）在长时间尺度上（t > 1ns），在较低频率~2GHz观察到第二进动，这是由于CPASS效应驱动STT引起的，定义为“STT模式”，与图3c所示的零磁场场观测值一致（图3c）。手性S样品中STT模式的振荡幅度与FMR模式的振幅相，当这意味着在NiFe层中发生了有效的STT。手性R样品的振荡幅度要小得多，这是由于手性RHOIP中圆二色信号引起的。当磁场方向反转时，STT模式的相位反转。 

 三、CPASS效应系数

基于从Cu基和STT样本结构获得的结果，计算通过CPASS效应产生的自旋电流，图4a显示了在零磁场条件下NiFe/Cu/(S-MePEA)2PbI4样品中测量的不同入射激光功率下的时间分辨磁光克尔信号，STT信号的振幅与入射功率呈线性关系。当改变泵浦激光器的交流频率时（图4b），在较低频率下，信号幅度的增加表明，直流热梯度与频率无关，交流热梯度主导CPASS效应。

提取不同极性手性S样品生成的自旋电流密度的振幅，测量不同磁场下手性S样品的时间分辨STT信号（图4c），STT模式的振幅和相位都随外部磁场而变化，每幅图中的虚线表示通过求解方程得到的数据拟合，NiFe层中，μ0Ms= 0.96 T, α = 0.039, d = 15 nm，γ = 1.8×1011rad (s T)−1，其中μ0是真空磁导率，发现振荡自旋电流分量包含面内面外自旋极化,需要考虑方向，从中可以分别导出这些极化和振荡自旋电流密度的幅度作为磁场的函数。在零磁场，Jsz= 0.11 ×1012Am−2交流热梯度∇Ta.c.= 1.65 ×107Km−1 ，CPASS效应系数的下限为6667A(Km)−1，该值比之前报道的使用各种磁性材料的CPASS效应系数高几个数量级 （1.5-540A (Km)−1 ）。

结论与展望

通过实验验证了热梯度下附着在非磁性手性材料的相邻金属层中自旋电流的产生，在CPASS效应的背景下解释了这一观察结果，所证明的CPASS效应与传统的CISS效应是不同的，当电子穿过手性材料等时它是“自旋过滤”过程，在大多数基于碳氢化合物的手性半导体层上产生电荷传输受到中等电导率的限制，CPASS效应为探索室温下自旋电子学的应用提供了新的机会，利用它们的手性结构及性质，在没有电子流的情况下实现了自旋信息的能量高效传递，此外CPASS效应优于典型的实验CISS特征，不仅可以应用于低电导率手性半导体，也可以应用于手性绝缘体，尽管对手性、手性声子和自旋之间的关系仍然没有完整的解释，但CPASS效应为指导未来CISS理论提供了一个可行的替代方案，阐明了对更“一般”CISS效应的基本理解，该效应证明热耗散、振动模式以及自旋产生和手性之间的结构-性质关系的重要性，由于手性声子的存在，手性材料作为一类新型材料在自旋-热电子应用和能量收集技术中具有巨大的前景。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01473-9.