利用手性與自旋極化的相互轉(zhuǎn)換產(chǎn)生自旋流是近年來自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，相關(guān)現(xiàn)象被稱之為“手性誘導(dǎo)自旋選擇性”（Chirality-Induced Spin Selectivity, CISS）。CISS在自旋電子學(xué)器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值和豐富的物理內(nèi)涵，但是手性與自旋極化相互轉(zhuǎn)換的微觀機(jī)理一直是激烈爭論的科學(xué)問題。佛羅里達(dá)州立大學(xué)熊鵬教授團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所趙建華研究員團(tuán)隊(duì)合作，以“磁性半導(dǎo)體/手性分子/非磁性金屬”為核心構(gòu)建自旋閥器件（圖1），系統(tǒng)研究了具有不同自旋軌道耦合強(qiáng)度的金屬電極對器件磁電導(dǎo)的影響，揭示了手性與電子自旋極化的轉(zhuǎn)換機(jī)理。具體而言，當(dāng)非磁性金屬為具有強(qiáng)自旋軌道相互作用的Au電極時(shí)，能觀察到顯著的類自旋閥信號(hào)；而當(dāng)非磁性金屬為Al電極時(shí)，類自旋閥信號(hào)則減小了約一個(gè)數(shù)量級(jí)（圖2）。魏茨曼科學(xué)研究所顏丙海教授從理論上指出，手性分子的結(jié)構(gòu)不對稱性使得電子產(chǎn)生軌道極化，而具有強(qiáng)自旋軌道耦合的非磁性金屬電極進(jìn)一步將電子的軌道極化轉(zhuǎn)換為電子的自旋極化。在此基礎(chǔ)上，該合作團(tuán)隊(duì)發(fā)展出一個(gè)勢壘可調(diào)的隧穿模型，很好地對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了定量解釋。值得指出的是，高質(zhì)量的磁性半導(dǎo)體(Ga,Mn)As薄膜在這項(xiàng)工作中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。實(shí)際上，前期的類似工作未能給出令人信服的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其主要原因在于自組裝的手性分子隧穿勢壘層不可避免地存在孔洞等缺陷，從而導(dǎo)致“磁性金屬/手性分子/金屬”自旋閥器件短路失效。而在分子和金屬電極間加一層薄的氧化絕緣層的方法又會(huì)增加器件本身的復(fù)雜性。將磁性金屬換成磁性半導(dǎo)體(Ga,Mn)As，由于金屬/半導(dǎo)體肖特基勢壘的存在，上述問題得到了有效解決。此外，(Ga,Mn)As可以通過應(yīng)變將其調(diào)控為垂直各向異性材料，為觀測到清晰可靠的自旋閥信號(hào)提供了保障。