導讀
近日，荷蘭格羅寧根大學與德國雷根斯堡大學的研究人員構建出最優化的雙層石墨烯器件，它具有很長的自旋壽命以及電氣可控的自旋壽命各向異性。其潛在的實際應用包括基於自旋的邏輯器件等。
背景
過去六十年來，計算機系統的巨大發展導致其容量增加，並使之滲透到日常生活的方方面面。過去幾十年來，相關的研發一直都是為了讓計算機芯片上的元器件變得小型化。現在，這種小型化已經達到了低於100個原子的級別，並正在逼近基本極限。此外，應用範圍的擴大對於性能和能量效率提出了更高的要求，因此我們需要能帶來高級功能的新概念。
在這一背景下，研究人員們正研究自旋在信息傳輸與存儲方面的用途。自旋是電子的一種量子力學特性，它賦予電子磁矩，這種磁矩可以用於傳輸或存儲信息。
自旋電子材料通過“上”或者“下”的電子自旋方向將二進制數據記錄於材料中（圖片來源：參考資料【3】）
基於自旋的電子學（自旋電子學）的領域已經擴展到計算機硬盤驅動器，並且也有望革新數據處理單元。
美國德克薩斯大學達拉斯分校開發的全碳自旋邏輯器件（圖片來源：參考資料【4】）
基於磁振子的自旋晶體管（圖片來源：L. Cornelissen）
自旋電子學的研究集中於優化傳輸與控制自旋的材料。石墨烯是一種卓越的電子自旋導體，但是這種材料中的自旋卻難以控制，因為其中碳原子之間的相互作用（自旋軌道耦合）較弱。
石墨烯結構示意圖（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）
創新
荷蘭格羅寧根大學（University of Groningen）的物理學家們與德國雷根斯堡大學（Universität Regensburg）的理論物理研究小組旨在解決上述問題。
近日，他們構建出最優化的雙層石墨烯器件，它具有很長的自旋壽命以及電氣可控的自旋壽命各向異性。其潛在的實際應用包括基於自旋的邏輯器件等。
研究成果於9月20日發表在《物理評論快報（Physical Review Letters）》上。這篇論文是格羅寧根大學 Bart van Wees 教授領導的研究小組與德國雷根斯堡大學理論物理研究小組之間的合作研究成果。
（圖片來源：Van Wees 實驗室）
技術
之前，Van Wees 教授的研究小組將石墨烯與過渡金屬二鹵化物放置得非常靠近，過渡金屬二鹵化物是一種具有本徵自旋軌道耦合力的分層材料。這種強大的自旋軌道耦合力，通過界面上的近程相互作用轉移到石墨烯中，使之可以控制自旋電流，可是卻會縮短自旋壽命。
在新研究中，研究人員想要控制雙層石墨烯中的自旋電流。Van Wees 研究小組的博士生、《物理評論快報》期刊上發表的論文的第一作者 Christian Leutenantsmeyer 表示：“實際上，2012年的一篇理論論文中已經預測到這一點，但是直到最近才有了精準測量這一效應的技術。”
2012年的論文預測，雙層石墨烯中的自旋軌道耦合帶來了石墨烯雙層中的各向異性自旋輸運。在各向異性自旋輸運描述的情況中，指向石墨烯平面內或外的自旋，以不同的效率傳導。在 Leutenantsmeyer 及其同事製造的器件中，這一現象實際上被觀察到了。
因為平面內的自旋比平面外的自旋壽命更短，所以自旋電流也可以通過自旋壽命各向異性控制，並且可在器件中用於極化自旋電流。
（圖片來源：Talieh Ghiasi / Van Wees Lab / 格羅寧根大學）
價值
Leutenantsmeyer 表示：“我們發現石墨烯/過渡金屬二鹵化物器件中的力的各向異性差不多，可是我們卻觀察到自旋壽命增加了100倍。因此，我們既實現了有效的自旋輸運，也實現了有效的自旋控制。”
這項研究深入分析了雙層石墨烯中的自旋軌道耦合。“更進一步說，我們的研究為在高質量石墨烯中通過電氣高效地控制自旋開闢了新道路，對於石墨烯研究來說是一個里程碑。”
關鍵字
石墨烯、自旋、電子
【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
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