基于相对论，电子自旋和轨道角动量相互作用，从而在半导体中产生所谓的自旋和逆自旋霍尔效应，该效应揭示了自旋流和电荷流的相互转化，是近年来半导体自旋电子学研究的核心内容之一。北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室宽禁带半导体研究团队和中科院半导体研究所半导体材料科学重点实验室合作，利用圆偏光激发，电学探测的方法首次在常温和宏观尺度下观察到半导体中由自旋流产生的横向霍尔电流（逆自旋霍尔效应）。该研究成果近期发表在物理评论快报上（Physical Review Letters， 101，147103 （2008））。该文第一作者为沈波教授指导的凝聚态物理专业05级硕士生贺小伟，有多名教师和研究生参与和支持了该项工作。

实验用波长1060nm, 半径0.5mm的圆极化光斑激发AlGaN/GaN异质结构中的二维电子气，光强的高斯分布导致光斑区域形成自旋化学势梯度，从而产生以光斑为中心的辐射状自旋流，该自旋流在逆自旋霍尔效应的作用下会形成涡旋状霍尔电流。通过光斑的移动，实验在常温下观测到了该涡旋状光电流，并将其称为反常圆偏振自旋光电流，实验装置和结果如图1所示。理论分析认为，能带Rashba自旋分裂（内禀机制）和杂质散射（外禀机制）共同作用导致了自旋极化电子的横向位移，从而使辐射自旋流形成了涡旋电荷流，基于相对论效应的自旋横向力被用于描述这一物理过程，模型如图2所示。 结合实验数据和理论模拟，估算出自旋横向力的大小约10-19牛顿，同时估算出光斑引起的涡旋霍尔电压约为10-6伏特。该工作确认反常圆偏振光电流是半导体中电子自旋输运的普遍现象，为在常温和宏观尺度研究逆自旋霍尔效应以及自旋流提供了新的实验方法。

图1：常温下反常圆偏振自旋光电流随光斑位置的变化。插图为实验装置示意图，其中长条表示样品，红色圆环表示光斑，黑色原点为电极。

图2：(a) 表示光斑中光强和自旋化学势梯度分布。（b）表示自旋极化电子受自旋横向力产生横向位移从而形成涡旋电荷流。蓝红黑色箭头分别表示电子自旋方向，自旋流方向，自旋横向力的方向。