近日，山东师范大学物理与电子科学学院胡贵超教授课题组在物理领域国际著名期刊《Physical Review B》上发表了题为“Field dependence of the spin Hall effect in organic polymers from polaron transport”的学术论文。山东师范大学为论文第一署名单位，研究生张晓蓓为第一作者，通讯作者为胡贵超教授。
自旋霍尔效应（SHE）基于材料的自旋轨道耦合作用实现电流和自旋流转换，在自旋电子学领域具有重要意义。有机导电聚合物材料因自身结构软特性，在设计柔性器件方面具有独特的优势和广阔的应用前景。但有机体系弱的自旋轨道耦合作用一直是实现有效的SHE的瓶颈。近来，我们的一些研究工作表明，在有机材料强电声耦合作用下，极化子动力学输运过程中的晶格畸变可触发skew散射机制，能够显著增强SHE，破除了弱自旋轨道耦合带来的限制。这为在有机聚合物中实现有效的SHE提供了一条可行的路径。在有机聚合物中，极化子的动力学过程是场相关的，随电场强度增加下会出现极化子解耦和解离现象，速度出现跃变。这两种动力学行为会改变晶格畸变，进而调制skew散射和SHE。然而，目前场调控SHE微观物理图像仍不清晰，有待进一步深入研究。
图1. (a) 三条耦合有机链结构图；(b) 极化子饱和速度随电场变化；(c) SHE幅度和转换效率的场依赖性；(d) 极化子解离后的SHE含时演化。
基于三条有机聚合物链体系，我们研究了下不同电场强度的极化子动力学及有机SHE的变化。通过探究不同场强下极化子的速度变化情况，我们证实了二维聚合物中也存在极化子的解耦与解离现象。通过计算不同极化子态下的电荷和自旋演化，我们揭示了SHE幅度和转换效率的场依赖性。研究发现，SHE幅度在极化子解耦态呈现非单调场依赖变化，极化子解离可大幅增强SHE，未解耦极化子态下的电荷-自旋转换效率最高。进一步分析了不同电场和不同极化子态下的光学模和呼吸子晶格畸变，讨论了对应的skew散射和电荷自旋链间转移，解释了SHE随电场的变化根源。本工作阐明了场调控有机自旋霍尔效应的微观机理，为通过电场调控SHE及转换效率提供了理论指导。
以上研究获得国家自然科学基金资助。
论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.111.104305
