导读

近日，荷兰格罗宁根大学与德国雷根斯堡大学的研究人员构建出最优化的双层石墨烯器件，它具有很长的自旋寿命以及电气可控的自旋寿命各向异性。其潜在的实际应用包括基于自旋的逻辑器件等。

背景

过去六十年来，计算机系统的巨大发展导致其容量增加，并使之渗透到日常生活的方方面面。过去几十年来，相关的研发一直都是为了让计算机芯片上的元器件变得小型化。现在，这种小型化已经达到了低于100个原子的级别，并正在逼近基本极限。此外，应用范围的扩大对于性能和能量效率提出了更高的要求，因此我们需要能带来高级功能的新概念。

在这一背景下，研究人员们正研究自旋在信息传输与存储方面的用途。自旋是电子的一种量子力学特性，它赋予电子磁矩，这种磁矩可以用于传输或存储信息。

自旋电子材料通过“上”或者“下”的电子自旋方向将二进制数据记录于材料中（图片来源：参考资料【3】）

基于自旋的电子学（自旋电子学）的领域已经扩展到计算机硬盘驱动器，并且也有望革新数据处理单元。

美国德克萨斯大学达拉斯分校开发的全碳自旋逻辑器件（图片来源：参考资料【4】）

基于磁振子的自旋晶体管（图片来源：L. Cornelissen）

自旋电子学的研究集中于优化传输与控制自旋的材料。石墨烯是一种卓越的电子自旋导体，但是这种材料中的自旋却难以控制，因为其中碳原子之间的相互作用（自旋轨道耦合）较弱。

石墨烯结构示意图（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

创新

荷兰格罗宁根大学（University of Groningen）的物理学家们与德国雷根斯堡大学（Universität Regensburg）的理论物理研究小组旨在解决上述问题。

近日，他们构建出最优化的双层石墨烯器件，它具有很长的自旋寿命以及电气可控的自旋寿命各向异性。其潜在的实际应用包括基于自旋的逻辑器件等。

研究成果于9月20日发表在《物理评论快报（Physical Review Letters）》上。这篇论文是格罗宁根大学 Bart van Wees 教授领导的研究小组与德国雷根斯堡大学理论物理研究小组之间的合作研究成果。

Christian Leutenantsmeyer（左）与 Josep Ingla-Aynés（图片来源：Van Wees 实验室）

技术

之前，Van Wees 教授的研究小组将石墨烯与过渡金属二卤化物放置得非常靠近，过渡金属二卤化物是一种具有本征自旋轨道耦合力的分层材料。这种强大的自旋轨道耦合力，通过界面上的近程相互作用转移到石墨烯中，使之可以控制自旋电流，可是却会缩短自旋寿命。

在新研究中，研究人员想要控制双层石墨烯中的自旋电流。Van Wees 研究小组的博士生、《物理评论快报》期刊上发表的论文的第一作者 Christian Leutenantsmeyer 表示：“实际上，2012年的一篇理论论文中已经预测到这一点，但是直到最近才有了精准测量这一效应的技术。”

2012年的论文预测，双层石墨烯中的自旋轨道耦合带来了石墨烯双层中的各向异性自旋输运。在各向异性自旋输运描述的情况中，指向石墨烯平面内或外的自旋，以不同的效率传导。在 Leutenantsmeyer 及其同事制造的器件中，这一现象实际上被观察到了。

（图片来源：参考资料【2】）

因为平面内的自旋比平面外的自旋寿命更短，所以自旋电流也可以通过自旋寿命各向异性控制，并且可在器件中用于极化自旋电流。

（图片来源：Talieh Ghiasi / Van Wees Lab / 格罗宁根大学）

价值

Leutenantsmeyer 表示：“我们发现石墨烯/过渡金属二卤化物器件中的力的各向异性差不多，可是我们却观察到自旋寿命增加了100倍。因此，我们既实现了有效的自旋输运，也实现了有效的自旋控制。”

这项研究深入分析了双层石墨烯中的自旋轨道耦合。“更进一步说，我们的研究为在高质量石墨烯中通过电气高效地控制自旋开辟了新道路，对于石墨烯研究来说是一个里程碑。”

关键字

石墨烯、自旋、电子

参考资料

【1】https://www.rug.nl/sciencelinx/nieuws/2018/09/20180920_doublegraphene

【2】Johannes Christian Leutenantsmeyer, Josep Ingla-Aynés, Jaroslav Fabian, Bart J. van Wees. Observation of Spin-Valley-Coupling-Induced Large Spin-Lifetime Anisotropy in Bilayer Graphene. Physical Review Letters, 2018; 121 (12) DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.127702

【3】S. Y. Bodnar et al., Writing and reading antiferromagnetic Mn2Au by Néel spin-orbit torques and large anisotropic magnetoresistance, Nature Communications 9, 24 January 2018, DOI:10.1038/s41467-017-02780-x

【4】Joseph S. Friedman et al, Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/ncomms15635