证明了具有拓扑顶部的石墨烯中的自旋电流效应

瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员已经证明了自旋电流效应，该效应允许将非平衡自旋密度转换为充电电流。在这里，通过将石墨烯与拓扑绝缘体相结合，作者在室温下实现了栅极可调的自旋电流效应。研究结果发表在科学杂志《自然通讯》上。

量子器件物理实验室研究小组负责人 Saroj Prasad Dash 副教授说：“我们相信，这一实验实现将吸引大量科学关注，并将拓扑绝缘体和石墨烯放在自旋电子学和量子技术应用的地图上。” (QDP)，微技术和纳米科学系 - MC2。

石墨烯是单层碳原子，具有非凡的电子和自旋传输特性。然而，这种材料中的电子经历自旋和轨道角矩的低相互作用，称为自旋轨道耦合，这不允许在原始石墨烯中实现可调谐的自旋电子功能。另一方面，拓扑绝缘体中独特的电子自旋纹理和自旋动量锁定现象对于新兴的自旋轨道驱动自旋电子学和量子技术很有前景。然而，拓扑绝缘体的使用带来了一些挑战，这些挑战与它们缺乏电门可调性、来自琐碎体态的干扰以及异质结构界面拓扑特性的破坏有关。

“在这里，我们通过将二维石墨烯与范德瓦尔斯异质结构中的三维拓扑绝缘体集成来解决其中的一些挑战，以利用其显着的自旋电子特性并在室温下设计接近诱导的自旋电流效应，” Dmitrii Khokhriakov 博士说。QDP的学生，文章的第一作者。

由于石墨烯是原子级的薄，当其他功能材料与它接触时，它的性质会发生巨大的变化，这被称为邻近效应。因此，基于石墨烯的异质结构是一个令人兴奋的器件概念，因为它们与其他功能材料的杂化所产生的邻近效应具有很强的栅极可调性。以前，将石墨烯与拓扑绝缘体相结合在范德瓦尔斯异质结构中，研究人员已经表明，可以诱导强烈的邻近诱导自旋轨道耦合，这有望在石墨烯带中产生 Rashba 自旋分裂。因此，预计接近的石墨烯将产生自旋电流效应，其幅度和符号具有预期的栅极可调性。然而，以前在这些异质结构中没有观察到这种现象。

“为了实现这种自旋电流效应，我们开发了一种特殊的霍尔棒状石墨烯拓扑绝缘体异质结构器件，”Dmitrii Khokhriakov 说。

这些设备在 MC2 最先进的洁净室中进行纳米制造，并在量子设备物理实验室进行测量。新的设备概念使研究人员能够通过自旋开关和 Hanle 自旋进动实验在各种配置中进行互补测量，为室温下的自旋电流效应提供了明确的证据。

“此外，我们能够证明栅极电场具有很强的可调性和自旋电流效应的符号变化，这使得这种异质结构有望实现全电和栅极可调自旋电子器件，”Saroj Prasad Dash 总结道。 .

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