【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(chǔ)和處理。磁近鄰效應(yīng)是自旋電子學(xué)中的一個(gè)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(chǎng)控制自旋極化的能力。在這個(gè)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(cè)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(chǎng)下通過電場(chǎng)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(chǎng)磁輸運(yùn)測(cè)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(jí)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(gè)在零磁場(chǎng)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(duì)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(cè)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(jí)和逆流邊通道。

圖4：模型預(yù)測(cè)與輸運(yùn)測(cè)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(duì)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(chǎng)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(cè)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(duì)石墨烯物理特性的認(rèn)識(shí)，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(duì)于推動(dòng)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。