研究背景
范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了一個多功能平臺，可以通過近鄰效應(yīng)調(diào)控電、磁、光和自旋輸運(yùn)特性。六方過渡金屬二硫族化合物在石墨烯中誘導(dǎo)谷Zeeman自旋–軌道耦合，導(dǎo)致面內(nèi)和面外自旋取向之間的自旋壽命各向異性。然而，由于異質(zhì)結(jié)構(gòu)固有的三重對稱性，面內(nèi)自旋壽命仍然保持各向同性。鑒于此，西班牙巴塞羅那自治大學(xué) Juan F. Sierra, Josef Světlík，Sergio O. Valenzuela等研究員合作在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“Room-temperature anisotropic in-plane spin dynamics in graphene induced by PdSe2 proximity”的最新論文。在本研究中，他們證明了具有獨(dú)特面內(nèi)各向異性的五邊形PdSe?能夠在石墨烯中誘導(dǎo)各向異性且可通過柵極調(diào)控的自旋–軌道耦合。這使得面內(nèi)自旋壽命在室溫下可實(shí)現(xiàn)高達(dá)十倍的調(diào)制，具體取決于面內(nèi)自旋的取向。此外，自旋壽命在三個空間方向上的方向依賴性揭示了一個持久的面內(nèi)自旋紋理分量，該分量主導(dǎo)了自旋動力學(xué)。這些發(fā)現(xiàn)深化了研究者對范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中自旋物理的理解，并為在強(qiáng)自旋–軌道耦合條件下設(shè)計基于石墨烯的拓?fù)湎嗵峁┝诵碌目赡苄浴?/span>
研究亮點(diǎn)
1）實(shí)驗(yàn)首次在石墨烯-PdSe?異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了自旋輸運(yùn)的各向異性調(diào)控，得到了自旋壽命在面內(nèi)自旋取向下的顯著調(diào)節(jié)。2）實(shí)驗(yàn)通過將具有獨(dú)特面內(nèi)各向異性的五邊形PdSe?與石墨烯結(jié)合，誘導(dǎo)了可調(diào)的自旋-軌道耦合（SOC），實(shí)現(xiàn)了在室溫下自旋壽命的十倍變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自旋壽命的調(diào)節(jié)依賴于面內(nèi)自旋取向，這為高效的自旋輸運(yùn)和自旋動力學(xué)提供了新的途徑。3）實(shí)驗(yàn)通過對三個空間方向自旋壽命的方向性依賴性分析，發(fā)現(xiàn)自旋壽命表現(xiàn)出明顯的面內(nèi)自旋紋理分量，這一分量主導(dǎo)了自旋動力學(xué)行為，揭示了在強(qiáng)自旋-軌道耦合下，石墨烯基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中自旋物理的新特性。
圖文解讀
圖1:器件幾何結(jié)構(gòu)和單層石墨烯-PdSe2表征。圖2:單層石墨烯-PdSe2中，自旋弛豫各向異性。圖3:傾斜自旋進(jìn)動和自旋壽命各向異性比ζXY。圖4:單層石墨烯-PdSe2，低溫轉(zhuǎn)移特性和自旋弛豫各向異性。
結(jié)論展望
本文通過引入具有獨(dú)特面內(nèi)各向異性的PdSe?，研究者成功地調(diào)控了石墨烯中的自旋-軌道耦合（SOC），并觀察到了自旋壽命的顯著各向異性。這一現(xiàn)象不僅證明了不同晶體對稱性材料之間的近鄰效應(yīng)可以有效調(diào)控自旋動力學(xué)，還揭示了自旋紋理的持久性特征，對自旋輸運(yùn)的方向性控制具有重要意義。其次，本文提出了在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中自旋壽命的調(diào)節(jié)機(jī)制，強(qiáng)調(diào)了通過調(diào)控SOC可實(shí)現(xiàn)自旋壽命的高效調(diào)制，為自旋電子學(xué)應(yīng)用提供了新的思路。尤其是，在室溫下觀察到的自旋壽命各向異性和持久的自旋紋理，預(yù)示著未來在強(qiáng)自旋-軌道耦合體系中，石墨烯等材料可能成為設(shè)計拓?fù)湎唷⒉倏刈孕斶\(yùn)以及探索拓?fù)浞瞧椒矐B(tài)的理想平臺。此外，研究結(jié)果為如何通過材料間晶體對稱性的互補(bǔ)來定制自旋輸運(yùn)特性，開辟了新的研究方向。Sierra, J.F., Světlík, J., Savero Torres, W. et al. Room-temperature anisotropic in-plane spin dynamics in graphene induced by PdSe2 proximity. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02109-2
