石墨烯雙層結構實現了高效傳輸和控制電子自旋

格羅寧根大學的物理學家與雷根斯堡大學的理論物理小組合作，建立了一個優化的雙層石墨烯器件，該器件表現出長的自旋壽命和電可控的自旋壽命各向異性。它有可能用於實際應用，例如基於自旋的邏輯器件。

研究結果發表在Physical Review Letters（「Observation of spin-valley coupling induced large spin lifetime anisotropy in bilayer graphene」）中。

The out-of-plane spins are well transmitted whereas the in-plane spins decay fast.圖示為在注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傳輸。在平面外自旋很好地傳輸，而在平面內自旋快速衰減。（圖片來源：Talieh Ghiasi / Van Wees Lab /格羅寧根大學）

在過去60年里，計算機系統的巨大發展增強了它們的能力，使它們能夠深入到我們日常生活的幾乎所有方面。過去幾十年的發展方法是使計算機晶元上的元件小型化。現在其尺寸已達到100原子以下，並接近它的基本極限。

由於越來越多的應用對性能和能效提出了更高的要求，因此需要新的概念來提供增強的功能。

自旋電子學

在此背景下，研究人員正在研究如何利用自旋來傳輸和存儲信息。自旋是電子的量子力學性質，這為電子提供了可用於傳遞或存儲信息的磁矩。

基於自旋的電子學（自旋電子學）領域已經進入計算機的硬碟驅動器領域，並有望徹底改變處理單元。

自旋電子學研究的重點是優化用於自旋傳輸和控制的材料。石墨烯是電子自旋的優良導體，但由於電子自旋與碳原子的弱相互作用（自旋 - 軌道耦合），因此難以控制該材料中的自旋。

由Bart van Wees教授領導的格羅寧根大學納米設計物理學院的前期工作將石墨烯放置在過渡金屬二硫分子化合物附近，這是一種具有高內在自旋 - 軌道耦合強度的層狀材料。高自旋 - 軌道耦合強度通過界面處的短程相互作用轉移到石墨烯。這使得控制自旋電流成為可能，但是以降低旋轉壽命為代價。

控制自旋電流

在這項新研究中，研究人員成功地控制了石墨烯雙層中的自旋電流。「這實際上在2012年的一篇理論論文中被預測過，但最近才出現這種準確測量效果的技術，」Van Wees小組的學生和PRL論文的第一作者Christian Leutenantsmeyer博士解釋說。該論文是Van Wees小組與德國雷根斯堡大學理論物理小組合作完成的。

由於雙層石墨烯中的自旋 - 軌道耦合，2012年的論文預測了石墨烯雙層中的各向異性自旋傳輸。各向異性自旋傳輸描述指向石墨烯平面內或外的自旋具有不同的效率。Leutenantsmeyer及其同事製作的設備確實觀察到了這一點。

遠見

自旋電流也可以使用自旋壽命各向異性來控制，因為面內的自旋壽命比平面外的自旋壽命短得多，並且自旋電流可以用於器件中以使自旋電流極化。Leutenantsmeyer說：「我們發現強度各向異性與石墨烯/過渡金屬二硫化合物裝置相當，但我們觀察到自旋壽命卻大100倍。因此，我們實現了高效的自旋傳輸和有效的自旋控制。」

這項工作為雙層石墨烯中自旋軌道耦合的基本特性提供了見解。「此外，我們的研究結果為有效電子控制高質量石墨烯中的自旋開闢了新的途徑，這是石墨烯的一個里程碑。」

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