【研究背景】
自旋電子學(xué)是一門探索電子自旋特性的新興領(lǐng)域,其潛在應(yīng)用包括信息存儲和處理。磁近鄰效應(yīng)是自旋電子學(xué)中的一個重要領(lǐng)域,它可以通過將磁性材料與非磁性材料接觸,誘導(dǎo)非磁性材料中的自旋極化。石墨烯作為一種單層碳原子排列而成的二維材料,由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和運(yùn)輸性質(zhì),已成為自旋電子學(xué)研究的熱點(diǎn)。
然而,現(xiàn)有的石墨烯在自旋極化方面存在著挑戰(zhàn),主要是由于其缺乏磁性以及無法通過電場控制自旋極化的能力。在這個背景下,一些科學(xué)家提出了利用磁近鄰效應(yīng)在石墨烯中誘導(dǎo)自旋極化的方法。他們通過將石墨烯與具有磁性的材料接觸,利用交換效應(yīng)在石墨烯中引入自旋極化。
本研究中,荷蘭格羅寧根大學(xué)Boxuan Yang、Maxen Cosset-Chéneau教授團(tuán)隊(duì)將石墨烯與van der Waals反鐵磁體CrSBr接口化,從而實(shí)現(xiàn)了石墨烯中自旋極化的電靜態(tài)調(diào)控。他們通過測量磁輸運(yùn)和提取交換能量偏移,證明了在石墨烯中的自旋極化可以在零磁場下通過電場調(diào)控。這一發(fā)現(xiàn)為石墨烯在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用提供了新的可能性,為設(shè)計(jì)新型自旋電子學(xué)器件提供了新的思路。以上成果在Nature Communications發(fā)題為“Electrostatically controlled spin polarization in Graphene-CrSBr magnetic proximity heterostructures”研究成果。
【圖文解讀】
1)本實(shí)驗(yàn)首次展示了通過與van der Waals反鐵磁體CrSBr接觸,石墨烯表現(xiàn)出的非常規(guī)量子霍爾效應(yīng)現(xiàn)象。這一現(xiàn)象可以歸因于自旋相關(guān)的交換位移在石墨烯中誘導(dǎo)的反向自旋極化的邊通道。通過這一實(shí)驗(yàn),作者得到了石墨烯與CrSBr界面的磁近鄰效應(yīng)的獨(dú)特表現(xiàn)。
2)實(shí)驗(yàn)中,作者從高場磁輸運(yùn)測量中提取了石墨烯帶結(jié)構(gòu)的交換能量偏移。作者發(fā)現(xiàn),這種交換位移導(dǎo)致了石墨烯朗道能級的能譜發(fā)生變化,從而在量子霍爾效應(yīng)(QHE)區(qū)域中出現(xiàn)了反向自旋極化的電子和空穴邊通道。通過建立自旋極化的QHE邊通道的自洽模型,作者進(jìn)一步確定了交換位移的具體數(shù)值。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,石墨烯中的交換位移范圍在27-32 meV之間,并且還產(chǎn)生了一個在零磁場下從-50%到+69%范圍內(nèi)可調(diào)的電靜態(tài)自旋極化。這一發(fā)現(xiàn)為石墨烯作為自旋電子學(xué)器件的應(yīng)用提供了重要的基礎(chǔ)。通過調(diào)節(jié)費(fèi)米能量,作者實(shí)現(xiàn)了對自旋極化的電靜態(tài)控制,為門可調(diào)自旋閥器件的開發(fā)提供了新的可能性。
圖1:器件結(jié)構(gòu)。
圖2:磁輸運(yùn)測量。
圖3:在鄰近磁化的石墨烯中的交換位移態(tài)密度、朗道能級和逆流邊通道。
圖4:模型預(yù)測與輸運(yùn)測量的比較。
圖5.根據(jù)門電壓的變化提取載流子密度的自旋極化。
圖6:提議的由鄰近磁化的石墨烯制成的電靜態(tài)控制的隧道結(jié)。
【結(jié)論展望】
本文揭示了磁近鄰效應(yīng)對石墨烯自旋極化的調(diào)控,并展示了石墨烯作為自旋電子學(xué)器件中的潛在應(yīng)用。通過將石墨烯與van der Waals反鐵磁體接觸,研究人員發(fā)現(xiàn)了自旋極化在零磁場下的電靜態(tài)可調(diào)性,并實(shí)現(xiàn)了自旋電流的電靜態(tài)控制。這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)更靈活、更高效的自旋電子學(xué)器件提供了新思路,如門控自旋閥和自旋過濾器。
此外,本文還預(yù)測了鄰近磁化的石墨烯具有平衡磁化,可通過門電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),從而為磁性自旋電子學(xué)器件的設(shè)計(jì)提供了新的可能性。這項(xiàng)研究不僅豐富了對石墨烯物理特性的認(rèn)識,還為實(shí)現(xiàn)自旋與電荷之間的高效轉(zhuǎn)換打下了基礎(chǔ)。因此,本文的發(fā)現(xiàn)對于推動自旋電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義,為設(shè)計(jì)更具應(yīng)用潛力的自旋電子學(xué)器件提供了新的思路和方法。
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原文標(biāo)題:自旋極化!半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)新思路!Nature communications
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