DOI: https://doi.org/10.1103/t91s-h9ql
تاريخ النشر: 2026-03-17
المؤلف: Armando Pezo وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص المغناطيسية للأفلام الرقيقة
نظرة عامة
يتناول هذا القسم التحقيق في تأثير راشبا في الهياكل الهجينة CoFeB/PtSe2/MoSe2/LiNbO3 باستخدام مطيافية الزمن الزمني تيراهيرتز (THz-TDS). تم استكشاف تأثير راشبا، الناتج عن كسر تناظر الانعكاس في المواد منخفضة الأبعاد، من خلال محاكاة من المبادئ الأولى التي تحدد تأثيره على النقل الدوراني والمداري عند الواجهات. يبرز الدراسة أهمية اتجاه الاستقطاب لـ LiNbO3 في التحكم في انبعاث THz، كاشفًا عن سلوكيات مميزة في تراكم الدوران والمدار كما تم تحليلها من خلال نظرية الاستجابة الخطية. تعزز هذه النتائج الفهم لآليات تحويل الزخم الزاوي إلى شحنة وتأثيراتها على ظواهر عزم الدوران المداري.
في الاستنتاجات، يلخص المؤلفون استكشافهم لخصائص النقل الدوراني والمداري عند واجهة PtSe2/MoSe2، المتأثرة بشكل خاص بالمواد الفيروكهربائية مثل LiNbO3. وقدروا المجال الكهربائي الفعال الناتج عن المادة الفيروكهربائية وفحصوا تأثيرات مجال الاستقطاب في كلا الاتجاهين. تشير النتائج إلى وجود نافذة طاقة كبيرة لتحويل الدوران إلى شحنة تتماشى مع الملاحظات التجريبية من THz-TDS. كما تؤكد الدراسة على الكفاءة القابلة للمقارنة لتحويل المدار إلى شحنة مع تلك الخاصة بالدوران، مع الإشارة إلى الحاجة لمزيد من التحقيق في أوقات استرخاء المدار وآليات الحقن. يقترح المؤلفون أن منهجيتهم يمكن تكييفها لاستراتيجيات هندسة المواد للتلاعب في النقل الدوراني والمداري في الهياكل الهجينة من فان دير واالس، مع تطبيقات محتملة في تعزيز كفاءة الأجهزة السبينترونية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التقدم الكبير في نمو المواد والتقنيات التجريبية التي مكنت من استكشاف ديناميات الدوران، خاصة في سياق توليد التيراهيرتز (THz). تناقش ظهور مولدات THz السبينترونية، التي تستخدم تأثيرات تحويل الدوران إلى شحنة (SCC) فائقة السرعة داخل هياكل هجينة بسمك نانومتر تتكون من طبقات مغناطيسية (FM) وغير مغناطيسية (NM). يؤدي توليد تيار دوران غير متوازن عند امتصاص نبضة ضوئية فائقة القصر إلى انبعاث نبضات THz مستقطبة خطيًا، مع تحديد الآليات الرئيسية كأثر هول الدوران العكسي (ISHE) وأثر راشبا-إيدلشتاين العكسي (IREE).
تؤكد الورقة على أهمية تحسين معلمات المواد وهندسة الأجهزة لتعزيز كفاءة انبعاث THz، مما يضع مولدات السبينترونكس كمرشحين قابلين للتطبيق لتقنيات THz من الجيل التالي. كما تتناول الحاجة إلى التحكم الديناميكي في انبعاث THz لتشفير المعلومات، مشيرة إلى أن الطرق الحالية غالبًا ما تفرض قيودًا على القابلية للتوسع والمرونة. يقترح المؤلفون استخدام الهياكل الهجينة فائقة الرقة من فان دير واالس (vdW) لتعديل خصائص تحويل الدوران إلى شحنة، خاصة في الهياكل الهجينة MoSe₂/PtSe₂ على الركائز الفيروكهربائية، التي يمكن أن تتأثر باتجاه الاستقطاب. علاوة على ذلك، يتم مناقشة إدخال ديناميات المدار، بما في ذلك تأثير هول المداري وتأثيراته على توليد تيارات دوران مستقطبة نقية، كمسار واعد للبحث المستقبلي في السبينترونكس. تختتم القسم بتحديد المنهجية لدراسة هذه الهياكل الهجينة والتحليل اللاحق لخصائصها الهيكلية وخارج التوازن.
طرق
في هذه الدراسة، تم التحقيق في الخصائص الإلكترونية للطبقات المتعددة والواجهات باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية النسبية بالكامل (DFT). تم إجراء الاسترخاء الهيكلي واستخراج المجال الكهربائي الفعال باستخدام طريقة DFT-PBE، مع استخدام مجموعة أساس من الموجات المسطحة بحد طاقة 500 eV، وعينة نقطة غاما في منطقة بريلوان، وتصحيحات فان دير واالس D2، كما تم تنفيذها في VASP. بالنسبة لحسابات خصائص النقل، تم دمج اقتران الدوران-المدار باستخدام صيغة كاذبة نسبية بالكامل وتقدير التدرج العام لوظيفة التبادل-الارتباط. حققت الحسابات التقارب مع حد موجة مسطحة قدره 400 Ry وعينة نقاط k بمقدار (13 × 13 × 1).
بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام نهج مجموعة الأساس المحلية ضمن SIESTA لتحليل خصائص النقل بشكل أكبر، مرة أخرى باستخدام وظيفة التبادل-الارتباط Perdew-Burke-Ernzerhof. تم إجراء حسابات النقل خارج التوازن باستخدام هاملتونيان DFT كامل من SIESTA، مستفيدًا من مجموعات أساس مزدوجة-ζ مركزية على الذرة (DZP) للتوافق مع صيغة كوبو. ظل حد الطاقة لشبكة الفضاء الحقيقي عند 400 Ry، وتم إدخال اقتران الدوران-المدار الذاتي المتسق عبر التقريب الكامل خارج الموقع باستخدام كاذبات نسبية بالكامل تحافظ على النور. تم الحصول على هاملتونيان النظام ومصفوفات التداخل من خلال دورة ذاتية متسقة كاملة، تلتها معالجة لاحقة باستخدام SISL كأداة واجهة.
نتائج
في هذا القسم، تحقق الدراسة في المجال الكهربائي الفعال الناتج في هيكل هجيني يتكون من LiNbO3 وPtSe2 وMoSe2. تعتبر شريحة LiNbO3، الموصوفة كبلورة مقطوعة Z مع استقطاب فير كهربائي خارج المستوى، بمثابة ركيزة للطبقات ثنائية الأبعاد. يتم نمذجة الهيكل الهجين باستخدام خلية فائقة بمقدار 3 × 3 في المستوى، مع سمك إجمالي يقارب 3 نانومتر، بما في ذلك طبقة واحدة من MoSe2. يتم تحديد مساهمات المجال الكهربائي الفعال من LiNbO3 الفيروكهربائية من خلال تحليل تكوينين: واحد حيث تكون الطبقات ثنائية الأبعاد فوق شريحة LiNbO3 وآخر حيث تكون تحتها.
تشير النتائج إلى أن المجال الكهربائي عند واجهة MoSe2/PtSe2، عندما تكون الطبقات فوق LiNbO3، يبلغ حوالي 0.047 V/Å. على العكس، عندما يتم عكس الترتيب، يزداد المجال الكهربائي إلى حوالي 0.115 V/Å بسبب تقليل المسافة بين الطبقات إلى 1.74 Å، مقارنة بـ 2.61 Å في التكوين الأول. تظل الفروقات المحتملة عبر الهياكل الهجينة تقريبًا ثابتة لكلا التكوينين، مما يشير إلى تأثير مستقر للمجال الكهربائي من ركيزة LiNbO3 على المواد ثنائية الأبعاد. تسلط هذه النتائج الضوء على الدور الهام للخصائص الفيروكهربائية لـ LiNbO3 في تعديل المجالات الكهربائية في الطبقات ثنائية الأبعاد المجاورة.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون أنسجة راشبا الدورانية والمدارية وتأثيراتها المرتبطة بأثر راشبا-إيدلشتاين في نظام ثلاثي الطبقات يتكون من طبقتين من PtSe\(_2\) وطبقة واحدة من MoSe\(_2\)، المتأثرة بالاستقطاب الفيروكهربائي. يؤكدون على أهمية كسر تناظر الانعكاس عند الواجهات، مما يؤدي إلى قفل الزخم الزاوي ويؤثر على عزم الدوران المداري (SOT) وآليات تحويل الدوران إلى شحنة (SCC). تبرز الدراسة تأثير راشبا-إيدلشتاين العكسي (iOREE) الذي تم تجاهله في المواد ثنائية الأبعاد وتقدم تحليلًا مفصلًا حول كيفية تعديل المجالات الكهربائية الخارجية لكثافات الدوران والمدار، خاصة تحت ظروف استقطاب متغيرة.
يقارن المؤلفون نتائجهم مع الهيكل الهجين PtSe\(_2\)/Graphene، موضحين أن تراكمات الدوران والمدار المحسوبة تتماشى مع نتائج انبعاث THz التجريبية. ويبلغون أن دمج المواد الفيروكهربائية يعزز بشكل كبير إشارة THz، مع نافذة طاقة ملحوظة حيث يمكن ضبط الاستجابات الدورانية والمدارية عن طريق تعديل اتجاه الاستقطاب. تشير النتائج إلى تفاعل معقد بين ديناميات الدوران والمدار، مما يقترح أنه بينما يساهم كلاهما بشكل متساوٍ تقريبًا في استجابة THz، فإن تحديد استقطاب المدار يبقى تحديًا. يقترح المؤلفون أن الهندسة المادية الإضافية يمكن أن تحسن هذه التأثيرات، خاصة في الأنظمة التي يتم فيها التأكيد على المساهمات المدارية، وبالتالي تعزيز الفهم لتطبيقات السبينترونكس في الهياكل الهجينة من فان دير واالس.
DOI: https://doi.org/10.1103/t91s-h9ql
Publication Date: 2026-03-17
Author(s): Armando Pezo et al.
Primary Topic: Magnetic properties of thin films
Overview
This section discusses the investigation of the Rashba effect in CoFeB/PtSe2/MoSe2/LiNbO3 heterostructures using Terahertz Time-Domain Spectroscopy (THz-TDS). The Rashba effect, resulting from the breaking of inversion symmetry in low-dimensional materials, has been explored through first-principles simulations that quantify its impact on spin and orbital transport at the interfaces. The study highlights the significance of the polarization direction of LiNbO3 in controlling THz emission, revealing distinct behaviors in spin and orbital accumulation as analyzed through linear response theory. These findings enhance the understanding of angular momentum-to-charge conversion mechanisms and their implications for spin-orbit torque phenomena.
In the conclusions, the authors summarize their exploration of spin and orbital transport properties at the PtSe2/MoSe2 interface, particularly influenced by ferroelectric materials like LiNbO3. They estimated the effective electric field generated by the ferroelectric material and examined the polarization field’s effects in both directions. The results indicate a significant energy window for spin-charge conversion that aligns with experimental observations from THz-TDS. The study also emphasizes the comparable efficiency of orbital-to-charge conversion to that of spin, while noting the need for further investigation into orbital relaxation times and injection mechanisms. The authors propose that their methodology can be adapted for material engineering strategies to manipulate spin and orbital transport in van der Waals heterostructures, with potential applications in enhancing the efficiency of spintronic devices.
Introduction
The introduction of this research paper highlights significant advancements in material growth and experimental techniques that have enabled the exploration of spin dynamics, particularly in the context of terahertz (THz) generation. It discusses the emergence of spintronic THz emitters, which utilize ultrafast spin-to-charge conversion (SCC) effects within nanometer-thick heterostructures composed of ferromagnetic (FM) and non-magnetic (NM) layers. The generation of a non-equilibrium spin current upon the absorption of an ultrashort optical pulse leads to the emission of linearly polarized THz pulses, with key mechanisms identified as the inverse spin Hall effect (ISHE) and the inverse Rashba-Edelstein effect (IREE).
The paper emphasizes the importance of optimizing material parameters and device architectures to enhance THz emission efficiency, positioning spintronic emitters as viable candidates for next-generation THz technologies. It also addresses the need for dynamic control over THz emission for information encoding, noting that existing methods often impose limitations on scalability and flexibility. The authors propose utilizing ultrathin van der Waals (vdW) heterostructures to modulate spin-to-charge conversion properties, particularly in MoSe₂/PtSe₂ heterostructures on ferroelectric substrates, which can be influenced by polarization direction. Furthermore, the introduction of orbital dynamics, including the Orbital Hall effect and its implications for generating pure spin-polarized currents, is discussed as a promising avenue for future research in spintronics. The section concludes by outlining the methodology for studying these heterostructures and the subsequent analysis of their structural and out-of-equilibrium properties.
Methods
In this study, the electronic properties of multilayers and interfaces were investigated using fully relativistic density functional theory (DFT). The structural relaxation and effective electric field extraction were performed with the DFT-PBE method, utilizing a plane-wave basis set with a cutoff energy of 500 eV, Gamma point sampling in the Brillouin zone, and D2 van der Waals corrections, as implemented in VASP. For transport property calculations, spin-orbit coupling was incorporated using a fully relativistic pseudo-potential formulation and the generalized gradient approximation for the exchange-correlation functional. The calculations achieved convergence with a plane-wave cutoff of 400 Ry and a (13 × 13 × 1) k-point sampling.
Additionally, the localized basis set approach within SIESTA was employed to further analyze transport properties, again utilizing the Perdew-Burke-Ernzerhof exchange-correlation functional. Out-of-equilibrium transport calculations were conducted using a full ab-initio DFT Hamiltonian derived from SIESTA, leveraging atom-centered double-ζ plus polarization (DZP) basis sets for compatibility with the Kubo formalism. The energy cutoff for the real-space mesh remained at 400 Ry, and self-consistent spin-orbit coupling was introduced via the full off-site approximation using fully relativistic norm-conserving pseudopotentials. The system Hamiltonian and overlap matrices were obtained through a complete self-consistent cycle, followed by post-processing with SISL as an interface tool.
Results
In this section, the study investigates the effective electric field generated in a heterostructure composed of LiNbO3, PtSe2, and MoSe2. The LiNbO3 slab, characterized as a Z-cut crystal with an out-of-plane ferroelectric polarization, serves as a substrate for the 2D layers. The heterostructure is modeled using a 3 × 3 in-plane supercell, with a total thickness of approximately 3 nm, including a monolayer of MoSe2. The effective electric field contributions from the ferroelectric LiNbO3 are quantified by analyzing two configurations: one where the 2D layers are positioned above the LiNbO3 slab and another where they are below it.
The results indicate that the electric field at the MoSe2/PtSe2 interface, when the layers are above the LiNbO3, is approximately 0.047 V/Å. Conversely, when the arrangement is reversed, the electric field increases to about 0.115 V/Å due to a reduced interlayer distance of 1.74 Å, compared to 2.61 Å in the first configuration. The potential differences across the heterostructures remain nearly constant for both configurations, suggesting a stable electric field influence from the LiNbO3 substrate on the 2D materials. These findings highlight the significant role of the ferroelectric properties of LiNbO3 in modulating the electric fields in adjacent 2D layers.
Discussion
In this section, the authors discuss the spin and orbital Rashba textures and their associated Rashba-Edelstein effects in a trilayer system comprising two layers of PtSe\(_2\) and one layer of MoSe\(_2\), influenced by ferroelectric polarization. They emphasize the importance of breaking inversion symmetry at interfaces, which leads to angular momentum locking and affects spin-orbit torques (SOT) and spin-to-charge conversion (SCC) mechanisms. The study highlights the overlooked inverse orbital Rashba-Edelstein effect (iOREE) in two-dimensional materials and presents a detailed analysis of how external electric fields modify spin and orbital densities, particularly under varying polarization conditions.
The authors benchmark their findings against the PtSe\(_2\)/Graphene heterostructure, demonstrating that the calculated spin and orbital accumulations align with experimental THz emission results. They report that the incorporation of ferroelectric materials significantly enhances the THz signal, with a notable energy window where the spin and orbital responses can be tuned by adjusting the polarization direction. The results indicate a complex interplay between spin and orbital dynamics, suggesting that while both contribute comparably to the THz response, the quantification of orbital polarization remains challenging. The authors propose that further material engineering could optimize these effects, particularly in systems where orbital contributions are emphasized, thereby advancing the understanding of spintronic applications in van der Waals heterostructures.