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温度可调的自旋轨道和交换磁相互作用竞争驱动二维电子的自旋取向。

Spin Orientation of Two-Dimensional Electrons Driven by Temperature-Tunable Competition of Spin-Orbit and Exchange-Magnetic Interactions.

机构信息

MAX IV Laboratory, Lund University , Box 118, 22100 Lund, Sweden.

Departamento de Fisica de Materiales and CFM-MPC UPV/EHU, Donostia International Physics Center (DIPC) , 20080 San Sebastian, Spain.

出版信息

Nano Lett. 2017 Feb 8;17(2):811-820. doi: 10.1021/acs.nanolett.6b04036. Epub 2017 Jan 4.

DOI:10.1021/acs.nanolett.6b04036
PMID:28032768
Abstract

Finding ways to create and control the spin-dependent properties of two-dimensional electron states (2DESs) is a major challenge for the elaboration of novel spin-based devices. Spin-orbit and exchange-magnetic interactions (SOI and EMI) are two fundamental mechanisms that enable access to the tunability of spin-dependent properties of carriers. The silicon surface of HoRhSi appears to be a unique model system, where concurrent SOI and EMI can be visualized and controlled by varying the temperature. The beauty and simplicity of this system lie in the 4f moments, which act as a multiple tuning instrument on the 2DESs, as the 4f projections parallel and perpendicular to the surface order at essentially different temperatures. Here we show that the SOI locks the spins of the 2DESs exclusively in the surface plane when the 4f moments are disordered: the Rashba-Bychkov effect. When the temperature is gradually lowered and the system experiences magnetic order, the rising EMI progressively competes with the SOI leading to a fundamental change in the spin-dependent properties of the 2DESs. The spins rotate and reorient toward the out-of-plane Ho 4f moments. Our findings show that the direction of the spins and the spin-splitting of the two-dimensional electrons at the surface can be manipulated in a controlled way by using only one parameter: the temperature.

摘要

寻找方法来创建和控制二维电子态(2DES)的自旋相关性质是开发新型基于自旋的器件的主要挑战。自旋轨道和交换磁相互作用(SOI 和 EMI)是两种基本机制,可实现对载流子的自旋相关性质的可调性。HoRhSi 的硅表面似乎是一个独特的模型系统,其中可以通过改变温度来可视化和控制同时存在的 SOI 和 EMI。该系统的美妙和简单之处在于 4f 矩,它作为 2DES 的多调谐仪器,因为平行于和垂直于表面的 4f 投影在本质上不同的温度下有序。在这里,我们表明当 4f 矩无序时,SOI 会将 2DES 的自旋专门锁定在表面平面上:拉什巴-拜科夫效应。当温度逐渐降低且系统经历磁有序时,逐渐增强的 EMI 与 SOI 竞争,导致 2DES 的自旋相关性质发生根本变化。自旋旋转并朝向面外 Ho 4f 矩重新定向。我们的发现表明,通过仅使用一个参数(温度),可以以受控的方式操纵表面处的自旋和二维电子的自旋分裂。

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