MAPbI₃ 페로브스카이트에서 전자·정공의 핵스핀 상호작용을 광학 편광으로 규명

초록

MAPbI₃ 단결정에 원형 편광 광을 조사하면 전자와 정공의 스핀을 선택적으로 정렬시킬 수 있다. 전자와 정공은 핵스핀 플럭투에이션과 강하게 결합하며, 이는 전이자기장(Hanle)와 편광 회복(Polarization Recovery) 실험을 통해 확인된다. 실험으로 얻은 핵스핀 플럭투의 평균 세기는 전자에 대해 ≈5 mT, 정공에 대해 ≈‑30 mT이며, 이는 각각 전자와 정공이 차지하는 핵스핀 수와 g‑인자 차이에 기인한다.

상세 분석

본 연구는 MAPbI₃(메틸암모늄 납 아이오다이드) 단결정에서 원형 편광 광을 이용한 광학 편광(optical orientation) 기법을 적용하여 전자와 정공의 스핀 동역학을 정밀히 조사하였다. 실험은 연속파 Ti:Sapphire 레이저(E_exc = 1.722 eV)를 사용해 1.6 K~15 K의 저온에서 수행되었으며, 광의 helicity를 400 kHz로 변조하거나 고정하여 각각 Hanle 효과와 Polarization Recovery(PR) 효과를 측정하였다.

Hanle 효과는 전자·정공 스핀이 외부 수직 자기장(B_V) 하에서 라머 회전을 겪으며 광학 편광도가 감소하는 현상으로, S_z(B_V)=S_z(0)/