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Laser-Induced Ultrafast Spin Injection in All-Semiconductor Magnetic CrI3/WSe2 Heterobilayer

半导体 超短脉冲 激光器 材料科学 自旋(空气动力学) 自旋工程 磁矩 光电子学 电子 自旋极化 自旋电子学 凝聚态物理 物理 铁磁性 光学 量子力学 热力学
作者
Yilv Guo,Yehui Zhang,Qing Long Liu,Zhaobo Zhou,Junjie He,Shijun Yuan,Thomas Heine,Jinlan Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (18): 11732-11739
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c12926
摘要

Spin injection stands out as a crucial method employed for initializing, manipulating, and measuring the spin states of electrons, which are fundamental to the creation of qubits in quantum computing. However, ensuring efficient spin injection while maintaining compatibility with standard semiconductor processing techniques is a significant challenge. Herein, we demonstrate the capability of inducing an ultrafast spin injection into a WSe2 layer from a magnetic CrI3 layer on a femtosecond time scale, achieved through real-time time-dependent density functional theory calculations upon a laser pulse. Following the peak of the magnetic moment in the CrI3 sublayer, the magnetic moment of the WSe2 layer reaches a maximum of 0.89 μB (per unit cell containing 4 WSe2 and 1 CrI3 units). During the spin dynamics, spin-polarized excited electrons transfer from the WSe2 layer to the CrI3 layer via type-II band alignment. The large spin splitting in conduction bands and the difference in the number of spin-polarized local unoccupied states available in the CrI3 layer lead to a net spin in the WSe2 layer. Furthermore, we confirmed that the number of available states, the spin-flip process, and the laser pulse parameters play important roles during the spin injection process. This work highlights the dynamic and rapid nature of spin manipulation in layered all-semiconductor systems, offering significant implications for the development and enhancement of quantum information processing technologies.
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