近日，天目山实验室周苗教授团队在低维手性材料中电流诱导的自旋极化（CISP）方面取得重要理论研究进展。研究成果以“Enhanced Current-Induced Spin Polarization in Ultrathin Chiral Nanowires”为题，在国际纳米科学领域顶刊《ACS Nano》（IF=17.3，中科院1区Top 期刊）上发表。该文章系统地对无磁手性材料Te纳米线中电流诱导的自旋极化进行了理论计算研究，成功在单根Te纳米链中计算得到高达~65%的CISP，显著高于铁磁材料的典型自旋极化（~50%），为设计和开发不依赖铁磁材料的高性能自旋电子器件提供了理论计算基础。天目山实验室为第一完成单位，周苗教授为论文通讯作者，博士后智国翔（现就职于杭州师范大学）为第一作者。
随着低空经济与人工智能的快速发展，航空器等装备对计算与存储器件的性能和功耗提出了更高要求。自旋电子学同时利用电子的电荷与自旋两个自由度，被认为是实现更快速、非易失、低功耗信息技术的重要途径，而高度自旋极化的电流则是自旋电子器件运行的基础。手性材料因其晶体结构具有螺旋对称性，当电流流经时可使载流子自旋发生极化，即“电流诱导的自旋极化”（Current-Induced Spin Polarization, CISP）。这一效应无需任何铁磁体或外加磁场，为实现全电自旋电子（all-electrical spintronic）器件提供了极具吸引力的路线。然而，如何在实际材料中获得强且稳定的CISP，一直是该领域面临的难题。
针对上述难题，团队基于第一性原理计算、紧束缚近似模型分析及自旋极化的量子输运计算，系统研究了典型的手性半导体材料单质碲（Te）中直径从0.2 nm到2.4 nm的一系列纳米线中的CISP，揭示了Te超细手性纳米线中CISP相比块体Te显著增强的规律及其物理起源。
题图 手性Te纳米线中电流诱导自旋极化示意图
计算结果显示，由于反演对称性破缺，Te中自旋轨道耦合（SOC）解除了自旋简并，表现出明显的自旋动量锁定，且沿螺旋轴方向的自旋分量占据主导。对包含1至27根Te链（直径0.2至2.4 nm）的纳米线的计算表明，随着直径减小，量子限域效应使带隙显著增大，费米能级附近能带沿螺旋轴方向的平均自旋期望值由0.17提升至0.33，为实现高度自旋极化的输运创造了有利条件。
图 不同直径Te纳米线的原子结构及自旋投影能带结构，以及带隙与平均自旋期望值随链数Nc的变化
为直接定量评估CISP的大小，团队构建了器件模型并进行了量子输运计算。计算结果表明，对于长度约5.9 nm的单根Te链，对应的CISP最高可达~65%；三链纳米线的最大CISP降至38%，并随直径的进一步增大单调减小，最终趋近于体相的极限值（~3.8%）。换言之，与体相Te相比，超细纳米线可将CISP提高一个数量级以上。研究还发现，CISP随纳米线长度的增加先迅速上升，超过临界长度后趋于饱和并出现振荡，说明只需较短的手性纳米线即可获得较高的自旋极化。
图 量子输运计算的器件模型示意图，单链及3链纳米线的总电导与自旋极化电导，以及最大CISP随纳米线直径和长度的变化
在物理起源方面，研究揭示Te纳米线中的高CISP来自量子限域效应与SOC的协同作用。团队通过在紧束缚哈密顿量中选择性关闭不同类型的SOC项，将SOC分解为在位（on-site）和结构（structural）两部分：关闭全部SOC时CISP完全消失；仅保留在位SOC时，单链纳米线的最大CISP由~65%降至~56%；仅保留结构SOC时则降至~27%。这表明两种SOC对于实现高CISP缺一不可。基于这一认识，团队进一步提出了两条调控CISP的策略：通过元素替代改变在位SOC强度，或通过应变工程调节原子间hopping强度从而改变结构SOC的大小。
该工作从理论上定量地说明了在无磁手性纳米材料中可以获得超过铁磁材料典型水平的高自旋极化电流，阐明了量子限域、在位SOC与结构SOC协同影响CISP的物理机制，并指出该机制具有普适性，可推广至其他低维手性结构。实验上，研究者已通过在碳纳米管或氮化硼纳米管中封装的方式制备出单链及少链Te纳米线，并完成了输运测量，这为验证本工作预言的高CISP提供了现实可行的器件平台。该成果有望加速高CISP材料体系的筛选，为面向下一代低功耗计算的无铁磁、无外场自旋电子纳米器件的设计与研制提供理论基础。
图 Te纳米线中高CISP的物理起源示意图，在位SOC与结构SOC对CISP的贡献，以及通过在位SOC强度和hopping强度调控CISP的计算结果
论文信息
题目｜Enhanced Current-Induced Spin Polarization in Ultrathin Chiral Nanowires
作者｜Guo-Xiang Zhi, Meimei Wu, Wenjin Gao, Ling Zhang, Biyu Song, Chenqiang Hua, Tianchao Niu, Miao Zhou*
期刊｜ACS Nano
链接｜https://doi.org/10.1021/acsnano.6c08681
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