物理学家实现石墨烯的大可调性和高度自旋极化 有望运用于低功耗电子学

新加坡国立大学的研究人员证明，在铁磁性绝缘氧化物 Tm3Fe5O12 (TmIG) 上的石墨烯中出现了强大的自旋极化现象，其自旋分裂能量高达数百 meV。在石墨烯中观察到的自旋极化现象具有较大且可调的自旋分裂能量，这为二维自旋电子学在低功耗电子学领域的应用带来了巨大希望。资料来源：新加坡国立大学

现代电子技术，尤其是个人电脑和智能手机等设备面临的一项重大挑战是，当电流通过材料时会产生热能，从而使材料温度升高。

一种潜在的解决方案是在逻辑电路中使用自旋而不是电荷。由于减少或消除了焦耳热，这些电路原则上可以提供低功耗和超快速度。这就催生了新兴的自旋电子学领域。

石墨烯是自旋电子学的理想二维材料，因为它具有较长的自旋扩散长度和较长的自旋寿命，即使在室温下也是如此。尽管石墨烯本身不具有自旋极性，但将其置于磁性材料附近可诱导其表现出自旋分裂行为。然而，目前存在两大挑战。一是缺乏确定自旋分裂能量的直接方法，二是石墨烯的自旋特性和可调性受到限制。

石墨烯自旋电子学的突破

新加坡国立大学物理系阿里多教授领导的研究小组提出了一个创新概念，即利用朗道扇形位移直接量化磁性石墨烯中的自旋分裂能。朗道扇形移动是指在绘制振荡频率与电荷载体的线性拟合曲线时截距的移动，这是由于带电粒子在磁场中的能级分裂造成的。它可用于研究物质的基本特性。

图示自旋极化电子在置于铁磁性绝缘氧化物 Tm3Fe5O12 (TmIG) 上的石墨烯层中的扩散。石墨烯和 TmIG 之间强烈的交换相互作用导致石墨烯带状结构出现显著的自旋分裂。这种自旋分裂反过来又导致了电荷载流子密度的巨大差异，其自旋方向被标记为"自旋向上"（↑）和"自旋向下"（↓）。这种载流子密度的差异导致了自旋极化电流的产生。资料来源：先进材料公司

此外，诱导的自旋分裂能量可以通过一种叫做场冷却的技术在很大范围内进行调整。在石墨烯中观察到的高自旋极化，加上其自旋分裂能量的可调谐性，为开发用于低功耗电子器件的二维自旋电子学提供了一个前景广阔的途径。

这些发现最近发表在《先进材料》杂志上。

实验验证和理论支持

研究人员进行了一系列实验来验证他们的方法。他们首先在磁性绝缘氧化物 Tm3Fe5O12 (TmIG) 上堆叠单层石墨烯，从而创建了磁性石墨烯结构。这种独特的结构使他们能够利用朗道扇形位移直接量化磁性石墨烯中 132 meV 的自旋分裂能量值。

为了进一步证实朗道扇形偏移与自旋分裂能之间的直接关系，研究人员进行了场冷却实验，以调整石墨烯中的自旋分裂程度。他们还在新加坡同步辐射光源（Singapore Synchrotron Light Source）应用了X射线磁圆二色性（X-ray magnetic circular dichroism）技术，以揭示自旋极化的起源。

研究论文的第一作者、新加坡国立大学物理系高级研究员胡俊雄博士说："我们的工作解决了二维自旋电子学中长期存在的争议，提出了利用朗道扇形位移直接量化磁性材料中自旋分裂的概念。

为了进一步支持他们的实验发现，研究人员与中国科学技术大学乔振华教授领导的理论团队合作，利用第一性原理计算自旋分裂能。得出的理论结果与实验数据一致。此外，他们还根据现象学模型，利用机器学习对实验数据进行拟合，从而更深入地理解了场冷却对自旋分裂能的可调性。

Ariando教授说："我们的工作开发出了一条在原子薄材料中产生、检测和操纵电子自旋的强大而独特的途径。它还展示了人工智能在材料科学中的实际应用。随着二维磁体和原子级薄范德华异质结构中堆叠诱导磁性领域的快速发展和人们的极大兴趣，我们相信我们的成果可以推广到其他各种二维磁性系统中。"

在这项概念验证研究的基础上，研究小组计划探索在室温下操纵自旋电流。他们的目标是将研究成果应用于二维自旋逻辑电路和磁记忆/感知设备的开发。有效调节电流自旋极化的能力为实现全电自旋场效应晶体管奠定了基础，从而开创了低功耗和超高速电子器件的新时代。

编译来源：ScitechDaily