自旋电子学异质结构的分析表明了两种所需的量子物理效应是如何相互增强的

自旋电子学利用电子的自旋来执行逻辑运算或存储信息。理想情况下，自旋电子器件可以比传统半导体器件更快、更节能地运行。然而，在材料中创建和操纵自旋纹理仍然很困难

石墨烯是一种由碳原子构建的二维蜂窝结构，被认为是自旋电子学应用的有趣候选者。石墨烯通常沉积在重金属薄膜上

在石墨烯和重金属之间的界面上，形成了强烈的自旋轨道耦合，从而产生了不同的量子效应，包括能级的自旋轨道分裂（Rashba效应）和自旋排列的倾斜（Dzhaloshinski-Moriya相互作用）。自旋倾斜效应对于稳定涡旋状自旋纹理（称为skyrmions）特别需要，这特别适用于自旋电子学。

然而，现在，一个西班牙-德国团队已经证明，当在石墨烯与重金属（此处为铱）之间插入几层铁磁元素钴时，这些效应会显著增强。样品生长在绝缘基板上，这是实现利用这些效应的多功能自旋电子器件的必要前提

该研究发表在ACS Nano杂志上

HZB的物理学家Jaime Sánchez Barriga博士说：“在BESSY II上，我们分析了石墨烯、钴和铱之间界面的电子结构。”。最重要的发现：与预期相反，石墨烯不仅与钴相互作用，而且通过钴与铱相互作用

Sánchez Barriga解释说：“石墨烯和重金属铱之间的相互作用是由铁磁钴层介导的。”。铁磁层增强了能级的分裂

Sanchez-Barriga说：“我们可以通过钴单层的数量来影响自旋倾斜效应；三个单层是最好的。”

这一结果不仅得到了实验数据的支持，还得到了使用密度泛函理论的新计算的支持。量子效应相互影响和相互强化的事实是新的、出乎意料的

“我们之所以能够获得这些新的见解，是因为BESSY II提供了极其灵敏的仪器来测量具有自旋分辨率的光电发射（自旋ARPES）。这导致了幸运的情况，我们可以非常精确地确定自旋倾斜的假设起源，即Rashba型自旋轨道分裂，甚至可能比自旋倾斜本身更精确，”HZB“量子材料中的自旋和拓扑”部门负责人Oliver Rader教授强调

全世界只有极少数机构拥有具有这些能力的仪器。结果表明，石墨烯基异质结构在下一代自旋电子器件中具有巨大的潜力 More information: Beatriz Muñiz Cano et al, Rashba-like Spin Textures in Graphene Promoted by Ferromagnet-Mediated Electronic Hybridization with a Heavy Metal, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c02154

Journal information: ACS Nano