双层石墨烯能有效地输运与控制自旋

双层石墨烯能有效地输运与控制自旋

上图为喷射器和检测器电极之间的双层石墨烯薄片中各向异性自旋输运示意图。平面外自旋传输良好，而平面内自旋迅速衰减。图片：TalehGiasi/Van Wees实验室/格罗宁根大学

荷兰格罗宁根大学的物理学家与德国雷根斯堡大学理论物理小组合作建立了一个优化的双层石墨烯装置，它显示出长自旋寿命和电可控的自旋寿命各向异性。它有潜在的实际应用价值，如基于自旋的逻辑器件。物理学家在《物理评论快报》“Physical Review Letters”中描述了新的石墨烯器件。
过去几十年来，计算技术的进步主要是由计算机芯片上元件的稳定小型化推动的。这种小型化已经达到低于100个原子的尺度并接近其基本极限。由于不断增加的各种计算应用也对性能和能量效率提出了更高的要求，因此我们需要能够提供增强功能的新的计算概念。

在此背景下，研究人员正在研究利用电子自旋来传输和存储信息的潜能。自旋是电子的量子力学性质，赋予它们一个磁矩，可以用来传递或存储信息。自旋电子学领域（spintronics）已经进入到计算机的硬盘驱动器，并有望彻底改变处理单元。

自旋电子学研究的一个焦点是优化材料的输运和自旋控制。石墨烯是一种优良的电子自旋导体，但由于它与碳原子的相互作用（自旋-轨道耦合）很弱，因此很难控制这种材料的自旋。在以前的工作中，由Bart van Wees领导的格罗宁根大学纳米器件物理学小组的研究人员将石墨烯置于过渡金属二卤化物附近，过渡金属二卤化物是一种具有高本征自旋-轨道耦合强度的层状材料。他们发现，这导致高的自旋-轨道耦合强度通过界面上的短程相互作用转移到石墨烯，使得控制自旋电流成为可能，但是这是以降低自旋寿命为代价实现的。

在这项新的研究中，研究人员成功地控制了石墨烯双层中的自旋电流。“这实际上是在2012年的论文中预测的，但是精确测量这种效果的技术直到最近才开始应用。”Van Wees团队的博士生，该论文的第一作者Christian Leutenantsmeyer解释说。

2012年这篇论文预测了石墨烯双层中的各向异性自旋输运是自旋轨道耦合的结果。各向异性自旋输运指出指向或退出石墨烯平面的自旋以不同的效率进行。这一点在Leutenantsmeyer和他的同事们所制造的设备中确实得到了证实。

研究人员发现他们可以利用自旋寿命各向异性来控制自旋电流，因为面内自旋的衰减比面外自旋快得多，因此能够极化自旋电流。“我们发现强度各向异性可与石墨烯/过渡金属二卤化物装置相媲美，但我们观察到100倍大的自旋寿命。”Leutenantsmeyer说：“因此，我们既实现了自旋的有效传输，又实现了自旋的有效控制。”

这项工作对双层石墨烯中自旋轨道耦合的基本性质进行了深入的探讨。“此外，我们的发现为高质量石墨烯的自旋的有效电控制开辟了新的途径，这是石墨烯里程碑式的发现。”Leutenantsmeyer补充道。

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