瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員已經(jīng)證明了自旋電流效應(yīng)，該效應(yīng)允許將非平衡自旋密度轉(zhuǎn)換為充電電流。在這里，通過將石墨烯與拓撲絕緣體相結(jié)合，作者在室溫下實現(xiàn)了柵極可調(diào)的自旋電流效應(yīng)。研究結(jié)果發(fā)表在科學(xué)雜志《自然通訊》上。

量子器件物理實驗室研究小組負責(zé)人 Saroj Prasad Dash 副教授說：“我們相信，這一實驗實現(xiàn)將吸引大量科學(xué)關(guān)注，并將拓撲絕緣體和石墨烯放在自旋電子學(xué)和量子技術(shù)應(yīng)用的地圖上。” (QDP)，微技術(shù)和納米科學(xué)系 - MC2。

石墨烯是單層碳原子，具有非凡的電子和自旋傳輸特性。然而，這種材料中的電子經(jīng)歷自旋和軌道角矩的低相互作用，稱為自旋軌道耦合，這不允許在原始石墨烯中實現(xiàn)可調(diào)諧的自旋電子功能。另一方面，拓撲絕緣體中獨特的電子自旋紋理和自旋動量鎖定現(xiàn)象對于新興的自旋軌道驅(qū)動自旋電子學(xué)和量子技術(shù)很有前景。然而，拓撲絕緣體的使用帶來了一些挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)與它們?nèi)狈﹄婇T可調(diào)性、來自瑣碎體態(tài)的干擾以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面拓撲特性的破壞有關(guān)。

“在這里，我們通過將二維石墨烯與范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的三維拓撲絕緣體集成來解決其中的一些挑戰(zhàn)，以利用其顯著的自旋電子特性并在室溫下設(shè)計接近誘導(dǎo)的自旋電流效應(yīng)，” Dmitrii Khokhriakov 博士說。QDP的學(xué)生，文章的第一作者。

由于石墨烯是原子級的薄，當(dāng)其他功能材料與它接觸時，它的性質(zhì)會發(fā)生巨大的變化，這被稱為鄰近效應(yīng)。因此，基于石墨烯的異質(zhì)結(jié)構(gòu)是一個令人興奮的器件概念，因為它們與其他功能材料的雜化所產(chǎn)生的鄰近效應(yīng)具有很強的柵極可調(diào)性。以前，將石墨烯與拓撲絕緣體相結(jié)合在范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，研究人員已經(jīng)表明，可以誘導(dǎo)強烈的鄰近誘導(dǎo)自旋軌道耦合，這有望在石墨烯帶中產(chǎn)生 Rashba 自旋分裂。因此，預(yù)計接近的石墨烯將產(chǎn)生自旋電流效應(yīng)，其幅度和符號具有預(yù)期的柵極可調(diào)性。然而，以前在這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)中沒有觀察到這種現(xiàn)象。

“為了實現(xiàn)這種自旋電流效應(yīng)，我們開發(fā)了一種特殊的霍爾棒狀石墨烯拓撲絕緣體異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件，”Dmitrii Khokhriakov 說。

這些設(shè)備在 MC2 最先進的潔凈室中進行納米制造，并在量子設(shè)備物理實驗室進行測量。新的設(shè)備概念使研究人員能夠通過自旋開關(guān)和 Hanle 自旋進動實驗在各種配置中進行互補測量，為室溫下的自旋電流效應(yīng)提供了明確的證據(jù)。

“此外，我們能夠證明柵極電場具有很強的可調(diào)性和自旋電流效應(yīng)的符號變化，這使得這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)有望實現(xiàn)全電和柵極可調(diào)自旋電子器件，”Saroj Prasad Dash 總結(jié)道。 .

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