雙層石墨烯能有效地輸運與控制自旋

雙層石墨烯能有效地輸運與控制自旋

上圖為噴射器和檢測器電極之間的雙層石墨烯薄片中各向異性自旋輸運示意圖。平面外自旋傳輸良好，而平面內自旋迅速衰減。圖片：TalehGiasi/Van Wees實驗室/格羅寧根大學

荷蘭格羅寧根大學的物理學家與德國雷根斯堡大學理論物理小組合作建立了一個優化的雙層石墨烯裝置，它顯示出長自旋壽命和電可控的自旋壽命各向異性。它有潛在的實際應用價值，如基于自旋的邏輯器件。物理學家在《物理評論快報》“Physical Review Letters”中描述了新的石墨烯器件。
過去幾十年來，計算技術的進步主要是由計算機芯片上元件的穩定小型化推動的。這種小型化已經達到低于100個原子的尺度并接近其基本極限。由于不斷增加的各種計算應用也對性能和能量效率提出了更高的要求，因此我們需要能夠提供增強功能的新的計算概念。

在此背景下，研究人員正在研究利用電子自旋來傳輸和存儲信息的潛能。自旋是電子的量子力學性質，賦予它們一個磁矩，可以用來傳遞或存儲信息。自旋電子學領域（spintronics）已經進入到計算機的硬盤驅動器，并有望徹底改變處理單元。

自旋電子學研究的一個焦點是優化材料的輸運和自旋控制。石墨烯是一種優良的電子自旋導體，但由于它與碳原子的相互作用（自旋-軌道耦合）很弱，因此很難控制這種材料的自旋。在以前的工作中，由Bart van Wees領導的格羅寧根大學納米器件物理學小組的研究人員將石墨烯置于過渡金屬二鹵化物附近，過渡金屬二鹵化物是一種具有高本征自旋-軌道耦合強度的層狀材料。他們發現，這導致高的自旋-軌道耦合強度通過界面上的短程相互作用轉移到石墨烯，使得控制自旋電流成為可能，但是這是以降低自旋壽命為代價實現的。

在這項新的研究中，研究人員成功地控制了石墨烯雙層中的自旋電流。“這實際上是在2012年的論文中預測的，但是精確測量這種效果的技術直到最近才開始應用。”Van Wees團隊的博士生，該論文的第一作者Christian Leutenantsmeyer解釋說。

2012年這篇論文預測了石墨烯雙層中的各向異性自旋輸運是自旋軌道耦合的結果。各向異性自旋輸運指出指向或退出石墨烯平面的自旋以不同的效率進行。這一點在Leutenantsmeyer和他的同事們所制造的設備中確實得到了證實。

研究人員發現他們可以利用自旋壽命各向異性來控制自旋電流，因為面內自旋的衰減比面外自旋快得多，因此能夠極化自旋電流。“我們發現強度各向異性可與石墨烯/過渡金屬二鹵化物裝置相媲美，但我們觀察到100倍大的自旋壽命。”Leutenantsmeyer說：“因此，我們既實現了自旋的有效傳輸，又實現了自旋的有效控制。”

這項工作對雙層石墨烯中自旋軌道耦合的基本性質進行了深入的探討。“此外，我們的發現為高質量石墨烯的自旋的有效電控制開辟了新的途徑，這是石墨烯里程碑式的發現。”Leutenantsmeyer補充道。

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