自旋极化:开创半导体器件设计的新路径

 

 

【研究背景】

自旋电子学是一门探索电子自旋特性的新兴领域，其潜在应用包括信息存储和处理。磁近邻效应是自旋电子学中的一个重要领域，它可以通过将磁性材料与非磁性材料接触，诱导非磁性材料中的自旋极化。石墨烯作为一种单层碳原子排列而成的二维材料，由于其独特的电子结构和运输性质，已成为自旋电子学研究的热点。

然而，现有的石墨烯在自旋极化方面存在着挑战，主要是由于其缺乏磁性以及无法通过电场控制自旋极化的能力。在这个背景下，一些科学家提出了利用磁近邻效应在石墨烯中诱导自旋极化的方法。他们通过将石墨烯与具有磁性的材料接触，利用交换效应在石墨烯中引入自旋极化。

本研究中，荷兰格罗宁根大学Boxuan Yang、Maxen Cosset-Chéneau教授团队将石墨烯与van der Waals反铁磁体CrSBr接口化，从而实现了石墨烯中自旋极化的电静态调控。他们通过测量磁输运和提取交换能量偏移，证明了在石墨烯中的自旋极化可以在零磁场下通过电场调控。这一发现为石墨烯在自旋电子学中的应用提供了新的可能性，为设计新型自旋电子学器件提供了新的思路。以上成果在Nature Communications发题为“Electrostatically controlled spin polarization in Graphene-CrSBr magnetic proximity heterostructures”研究成果。

【图文解读】

1）本实验首次展示了通过与van der Waals反铁磁体CrSBr接触，石墨烯表现出的非常规量子霍尔效应现象。这一现象可以归因于自旋相关的交换位移在石墨烯中诱导的反向自旋极化的边通道。通过这一实验，作者得到了石墨烯与CrSBr界面的磁近邻效应的独特表现。

2）实验中，作者从高场磁输运测量中提取了石墨烯带结构的交换能量偏移。作者发现，这种交换位移导致了石墨烯朗道能级的能谱发生变化，从而在量子霍尔效应（QHE）区域中出现了反向自旋极化的电子和空穴边通道。通过建立自旋极化的QHE边通道的自洽模型，作者进一步确定了交换位移的具体数值。

实验结果显示，石墨烯中的交换位移范围在27-32 meV之间，并且还产生了一个在零磁场下从-50%到+69%范围内可调的电静态自旋极化。这一发现为石墨烯作为自旋电子学器件的应用提供了重要的基础。通过调节费米能量，作者实现了对自旋极化的电静态控制，为门可调自旋阀器件的开发提供了新的可能性。

图1：器件结构。

图2：磁输运测量。

图3：在邻近磁化的石墨烯中的交换位移态密度、朗道能级和逆流边通道。

图4：模型预测与输运测量的比较。

图5. 根据门电压的变化提取载流子密度的自旋极化。

图6：提议的由邻近磁化的石墨烯制成的电静态控制的隧道结。

【结论展望】

本文揭示了磁近邻效应对石墨烯自旋极化的调控，并展示了石墨烯作为自旋电子学器件中的潜在应用。通过将石墨烯与van der Waals反铁磁体接触，研究人员发现了自旋极化在零磁场下的电静态可调性，并实现了自旋电流的电静态控制。这一发现为开发更灵活、更高效的自旋电子学器件提供了新思路，如门控自旋阀和自旋过滤器。

此外，本文还预测了邻近磁化的石墨烯具有平衡磁化，可通过门电压进行调节，从而为磁性自旋电子学器件的设计提供了新的可能性。这项研究不仅丰富了对石墨烯物理特性的认识，还为实现自旋与电荷之间的高效转换打下了基础。因此，本文的发现对于推动自旋电子学领域的发展具有重要意义，为设计更具应用潜力的自旋电子学器件提供了新的思路和方法。