在凝聚態(tài)物理中，自旋軌道耦合（SOC）作為一種將電子自旋與其運動聯(lián)系起來的相對論性相互作用，發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用，它使得一系列基于自旋的效應(yīng)成為可能。石墨烯因其長自旋擴散長度，成為自旋傳輸?shù)睦硐肫脚_，但其本征SOC較弱，限制了自旋的直接 操控。近期，Juan Sierra及其同事在《自然·材料》上發(fā)表的研究報告指出，通過與五邊形二硒化鈀（PdSe?）的鄰近效應(yīng)，石墨烯展現(xiàn)出了高度各向異性的面內(nèi)自旋動力學特性。PdSe?以其獨特的面內(nèi)各向異性，誘導(dǎo)出了一種可通過柵壓調(diào)控的SOC，使得石墨烯在室 溫下的自旋壽命實現(xiàn)了十倍的調(diào)制。
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圖1 | 用于各向異性自旋輸運的石墨烯-PdSe?異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
由單層石墨烯自旋通道（黑色蜂窩狀晶格）與五邊形PdSe?（藍色和黃色原子結(jié)構(gòu)）界面連接構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)可誘導(dǎo)各向異性自旋軌道耦合（SOC）。此器件由四個鐵磁電極（F1–F4；棕色）和兩個正常金屬接觸點（深藍色）組成。在F1處注入自旋極化電流I，電流在石墨烯中擴散，并在F2處被檢測到，同時測量非局域電壓Vnl以探測自旋弛豫。該裝置使得能夠研究鄰近效應(yīng)作用下的石墨烯中門控可調(diào)的各向異性自旋動力學。圖改編自參考文獻5，施普林格·自然集團。
解析
整體結(jié)構(gòu)描述：
介紹了圖1展示的是用于各向異性自旋輸運的石墨烯 - PdSe?異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由單層石墨烯自旋通道和五邊形PdSe?界面連接組成，這種組合能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生各向異性自旋軌道耦合（SOC）。自旋軌道耦合是一種相對論性相互作用，它將電子的自旋與其運動聯(lián)系起來，在凝聚態(tài)物理中發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用。
器件組成：
器件包含四個鐵磁電極（標記為F1 - F4，顏色為棕色）和兩個正常金屬接觸點（顏色為深藍色）。鐵磁電極在自旋電子學器件中通常用于產(chǎn)生或檢測自旋極化電流，正常金屬接觸點則用于與其他電路部分連接。
電流注入與檢測：
自旋極化電流I在F1處注入，隨后在石墨烯中擴散。擴散過程中，自旋極化電流的特性會受到各種因素影響，比如這里提到的由PdSe?誘導(dǎo)產(chǎn)生的各向異性自旋軌道耦合。最終，電流在F2處被檢測到。
非局域電壓測量：
同時測量非局域電壓Vnl，目的是探測自旋弛豫情況。自旋弛豫是指自旋極化狀態(tài)隨時間逐漸消失的過程，通過測量非局域電壓可以獲取關(guān)于自旋弛豫的信息，進而研究石墨烯中的自旋動力學特性。
研究意義：
這種裝置的設(shè)計使得研究人員能夠研究鄰近效應(yīng)作用下的石墨烯中門控可調(diào)的各向異性自旋動力學。門控可調(diào)意味著可以通過施加門電壓來改變石墨烯中的載流子密度等參數(shù)，從而調(diào)節(jié)自旋壽命的各向異性，這為動態(tài)操控自旋提供了途徑，對于開發(fā)基于石墨烯的自旋電子學器件具有重要的潛在應(yīng)用價值。
研究進一步證實，觀察到的各向異性源于鄰近SOC，而非自旋吸收到PdSe ?中。通過比較不同PdSe?厚度的石墨烯-PdSe?器件，研究人員表明，即使材料間的電荷轉(zhuǎn)移被抑制，自旋弛豫各向異性仍保持一致。這強烈暗示自旋動力學由界面效應(yīng)而非直接載流子交換所主導(dǎo)，持久的自旋紋理穩(wěn)定了特定方向上的自旋，同時增強了其他方向上的弛豫。
未來，結(jié)合密度泛函理論計算和跨一系列扭轉(zhuǎn)角的實驗研究，對于全面繪制石墨烯-PdSe?中的自旋紋理景觀至關(guān)重要。此外，開發(fā)通過應(yīng)變工程或替代柵壓方案來放大自旋壽命可調(diào)性的策略，可能增強 這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)在自旋電子應(yīng)用中的實際可行性。隨著這些發(fā)展，鄰近SOC工程可能為實現(xiàn)穩(wěn)健的自旋邏輯器件和具有新興拓撲性質(zhì)的新型量子材料鋪平道路。https://doi.org/10.1038/s41563-025-02231-9
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
