Nature Communications-石墨烯自旋周期各向異性減弱

對于石墨烯和自旋電子群體，最具吸引人的一個問題是在石墨烯中識別自旋弛豫的主要顯微過程。傳統的弛豫機制應用到單層石墨烯時獲得的結果比較矛盾。近日，發表在Nature Communications上的一篇文章指出，石墨烯中自旋極化各向異性所具有的自旋周期，將有望產生解決上述問題的有價值信息。

文章論證了石墨烯中自旋周期各向異性的測量，并鑒于當前的理論知識對它們進行了討論，通過使用一種基于斜自旋進動的新方法確定了各向異性。相比之前使用的方法，這種新方法不需要大平面外磁場，因此對低或者高載體密度來說，其都是可靠的。

為了能夠使自旋周期向理論極限發展，并找到控制自旋壽命的方法，控制沉積吸附原子的數量來測量特定基板自旋弛豫各向異性就變得至關重要。這也是最終開發依賴于石墨烯出現自旋基信息處理協議新方法的路徑。

【文獻導讀】

圖1?自旋進動和自旋周期各向異性測量原理

（a）傳統自旋進動實驗，磁場B⊥垂直于施加于石墨烯平面（紫色箭頭）。充電電流（黑色直箭頭）通過一個鐵磁電極（F1）注入與磁場方向平行的自旋，其沿噴射器電極易磁化軸（即長軸）固定；當朝探測器電極（F2）擴散時，注入的自旋（紅箭頭）在磁場B⊥周圍經歷拉莫爾進動；進動角φ隨磁場強度B⊥變化而變化，如此調制在F2檢測到的信號；在這種情況下，進動僅在石墨烯平面進行，也僅僅對平行弛豫時間敏感（見插圖）。

（b）斜自旋進動實驗示意圖。場強B施加在含有鐵磁電極易磁化軸的平面，其垂直于基底；對于一個斜場，即 β≠0,90°（見插圖），當它們朝F2擴散時，自旋進度偏離平面，在這種情況下，有效自旋周期對平行或者垂直自旋生命周期τ_sll、τ_s⊥都比較敏感，自旋弛豫各向異性可以通過實驗獲得。

圖2 設備示意圖和自旋傳輸

（a）非局部自旋設備幾何側面示意圖展示了兩個外部正常金屬電極（E1，E4），內部鐵磁注射器（E2）和探測器（E3）電極；非局部裝置顯示的連接線，在E1和E2之間里面通有電流I，在E3和E4之間所測得非局部電壓為V_nl；用來測量的非局部設備也已光學圖像的方式呈現出來，L=11um。

（b）標準化的石墨烯方塊電阻R_sq與磁場B的關系，V_g-V_CNP=2.5，42.5，22.5V（從頂端到底端）；對于V_g-V_CNP，磁阻最大。

（c）非局部電阻R_nl?≡V_nl/I，其為在柵壓Vg下掃過施加在平面上磁場B的函數，比如V_g-V_CNP=-25V，其中V_CNP為電中性區域點（CNP）的位置電壓，T=300K，I=10uA。

圖3 垂直磁場下的自旋進動

（a）非局部電阻變化量為柵壓Vg的函數，；圖中顯示的為從R_nl中分出的與在平面上測得的磁場之間的關系，其反映了當鐵磁電極的相對磁化方向由平行（↑↑）轉變到反平行（↓↑）時的信號變化。

（b）傳統的自旋進動測量使用垂直磁場B⊥上（空心符號）下（實心符號）掃過，完整的自旋移相發生在磁場強度大于B_d（~0.1T）。

（c）平面自旋弛豫時間τ_sll，自旋擴散系數Ds，以及自旋弛豫長度的關系為，由圖（b）中自選進度測量獲得。

圖4 斜磁場下測量自旋進動

（a）實驗自旋進動曲線，β=30°，45°，60°，75°，90°，其中T=300K，V_g-V_CNP=-17.5V，注射器電流I=10uA，平行電極裝置；水平虛線為B=0時，非局部電阻R_nl，其對應平行裝置下β=0°時的R_nl。

（b）在固定磁場強度B=175mT>B_d，角度與R_nl的關系由V_g體現出來。

? ?磁場強度在圖（a）中以垂直虛線示出，V_g-V_CNP=47.5，37.5，17.5，7.5V。

圖5 自旋周期各向異性比率?ζ

（a）將圖4（b）中的數據標準化為1，作為cos2β*，其中β*=β-γ（β,?B），對于指示值ζ，灰色線代表Rβnl，黑色直線對應ζ=1.

（b）分離出的各向異性比率 ζ 為T=300K（實的圓圈）和T=150K（空方框）時電壓V_g的函數；

圖（a）,（b）中的藍色實線表示對于平面自旋軌道場期望值?ζ=0.5，灰色區域表示0.9<ζ<1.03，誤差線對應圖（a）中擬合平均值的標準誤差，誤差主要來源于測量的噪音，λ_s||，β，γ傳播的不確定性對于 ζ 中的誤差產生了邊際貢獻。所有呈現的結果均來自同一個試樣。

論文鏈接：Determination of the spin-lifetime anisotropy in graphene using oblique spin precession

新聞網址：Spin lifetime anisotropy of graphene is much weaker than previously reported

感謝編輯部尉谷雨提供的素材！