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为解决电荷电流与自旋信号高效转换及自旋信号控制难题，研究人员开展手性碲晶体自旋积累研究。结果发现慢弛豫子（relaxons）主导自旋积累，转换效率达 50%。这为自旋电子学开辟新方向，有望实现低能耗自旋信号传输。
在电子世界中，自旋电子学就像一座充满无限可能的宝藏矿山，吸引着无数科研人员去探索。传统电子学主要利用电子的电荷特性，而自旋电子学在此基础上，还挖掘电子的自旋特性，试图创造出性能更强大、能耗更低的电子器件。其中，电荷电流与自旋信号之间的高效转换，是打开自旋电子学实用大门的关键钥匙。
然而，这座宝藏矿山中也布满了荆棘。增强电荷 - 自旋转换的自旋 - 轨道耦合（SOC），就像一个双面 “小怪兽”。它虽然能让转换过程更容易被观测到，但同时也带来了一个大麻烦 —— 会导致自旋信号快速耗散，使得自旋信号难以被精准控制。尽管现代材料科学不断发现新的材料体系，里面的传导电子有着各式各样的自旋配置，但想要真正理解这些材料在自旋相关性能上的限制，就必须深入探究自旋群体产生和弛豫背后的机制。
在这样的背景下，格罗宁根大学（University of Groningen）的 Evgenii Barts、Karma Tenzin 和 Jagoda S?awińska 等研究人员勇敢地踏上了探索之旅。他们把目光聚焦在手性碲晶体上，开展了一系列深入研究。最终，他们取得了令人瞩目的成果，相关论文发表在《Nature Communications》上。这一研究成果为自旋电子学领域带来了新的希望，就像在黑暗中点亮了一盏明灯。
研究人员在此次研究中，运用了多种关键技术方法。他们通过密度泛函理论（DFT）计算碲晶体的电子结构，利用 PAOFLOW 代码将 DFT 波函数投影到伪原子轨道上构建紧束缚哈密顿量。求解玻尔兹曼输运方程时，采用精确的碰撞积分形式，引入弛豫子（relaxons）概念，通过数值对角化弛豫矩阵得到弛豫子的本征值和本征态，以此来计算各种输运系数。
精确玻尔兹曼输运方法
为了精确量化碲晶体中电流诱导的自旋积累，研究人员采用了半经典玻尔兹曼方程。传统的求解方法 —— 弛豫时间近似，虽然能抓住一些关键特性，但存在局限性，比如它预测的电子分布偏离平衡态的衰减过于简单，而且在描述自旋弛豫时间远大于平均电子散射时间的材料时，效果欠佳。
研究人员为了突破这些局限，精确求解玻尔兹曼方程。他们引入弛豫子的概念，将其作为一种集体弛豫模式。每个弛豫子都代表着费米面以上粒子 - 空穴激发的波包，有着明确的输运寿命。通过这种方法，他们可以准确计算出电流诱导的自旋和轨道角动量积累，而且该方法没有自由参数，计算结果更加可靠。
手性碲晶体中电流诱导自旋和轨道角动量积累的效率
手性碲晶体分为右旋和左旋，晶体对称性使得电流诱导的磁化方向与电荷电流平行。研究人员通过计算发现，沿 z 轴施加电流时，诱导的磁化强度Mz与核磁共振（NMR）实验数据吻合良好，相比之前的理论计算有了很大改进。而且，碲晶体的电荷 - 自旋转换效率极高，在实际的空穴掺杂水平下，效率可达 50%，远超大多数已知的具有强 SOC 的材料。
自旋积累寿命和弛豫子光谱
研究人员分析弛豫子光谱来研究自旋积累的时间依赖性。当电流沿 z 轴流动时，光谱中有两个明显的峰，分别对应快弛豫模式和慢弛豫模式，还有一个小的卫星峰。他们发现，慢弛豫模式对自旋积累的贡献最大，主导着自旋积累的大小和寿命。而当电流沿 x 轴流动时，慢弛豫模式消失。
碲晶体中的自旋弛豫机制也很独特，传统的 Dyakonov - Perel 机制可以忽略不计，主要是与非磁性杂质的碰撞导致自旋弛豫，类似于 Elliot - Yafet 机制，但又因强 SOC 和结构手性而有所不同。这种机制使得自旋积累能够在长距离上传播，自旋扩散长度约为平均自由程的三倍，这对于构建高效的自旋电子器件来说是个非常好的消息。
低能模型和持续自旋螺旋
研究人员利用 k?p 模型进一步探究价带自旋纹理与慢弛豫模式之间的关系。他们发现，这种慢弛豫模式与在 GaAs 量子阱中观察到的持续自旋螺旋（PSH）相似。通过改变模型中的参数Δ，他们发现慢弛豫模式的光谱权重会随着Δ的变化而改变，当Δ减小时，慢弛豫模式逐渐消失。这表明慢弛豫模式对应着 PSH，只不过由于非零的能隙Δ，使得它有了有限的寿命。
研究人员通过对碲晶体的深入研究，发现了慢弛豫子在电荷 - 自旋转换中起着关键作用。它不仅实现了高达 50% 的电荷 - 自旋转换效率，还使得自旋信号能够在长距离上传播，解决了以往认为高效电荷 - 自旋转换和长距离自旋输运不相容的难题。这一发现为基于手性晶体的自旋电子器件开辟了新的方向，有望实现低热量损耗的自旋信号产生和传输，推动自旋电子学领域的进一步发展，让我们离实现高性能、低能耗的电子器件梦想又近了一步。
