自旋電子學透過操縱電子自旋，能使電子設備的運作速度加快並降低能耗，但生成、操縱材料自旋紋理仍存在挑戰。最近一個西班牙─德國研究團隊發現，當石墨烯與鈷及銥等重金屬層層疊加時，會展現出增強的量子效應，例如提升自旋軌道耦合與自旋傾斜，這對自旋電子學的發展極為有利。
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石墨烯與自旋電子學
自旋電子學利用電子的自旋特性來執行邏輯運算與資料儲存，其設備在速度與能耗方面均可能超越傳統半導體。然而，生成與操縱材料中的自旋紋理仍面臨重大挑戰。石墨烯是一種由碳原子構成的二維蜂窩結構，被認為是自旋電子應用的潛在候選材料。當石墨烯沉積於重金屬薄膜上時，會在其界面產生強烈的自旋軌道耦合，並帶來多種量子效應，包括 Rashba 效應（能階的自旋軌道分裂）與 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用（自旋排列的傾斜）。特別是自旋傾斜效應，可用來穩定渦旋狀自旋紋理（Skyrmion），而 Skyrmion 被認為是未來自旋電子學的關鍵元素。
※知識小補充:自旋是電子的特性，可產生磁性並影響電子元件應用。不同於傳統電子元件，自旋控制帶來更多可能性。當磁性與非磁性物質接觸時，會相互影響並產生「磁鄰近效應」，這一特性正廣泛應用於磁性記憶體。
鈷層的增強作用
西班牙與德國的研究團隊近期發現，當在石墨烯與重金屬（如銥）之間插入鐵磁元素鈷的單層時，這些量子效應將顯著增強。研究團隊在絕緣基板上生長樣品，以確保這些效應能夠有效應用於多功能自旋電子裝置。
在德國亥姆霍茲柏林研究中心（HZB）BESSY II 進行的光譜分析顯示，石墨烯不僅與鈷層相互作用，還透過鈷與銥層發生間接相互作用。這意味著，石墨烯與重金屬之間的相互作用是由鐵磁鈷層介導的，進而增強了能階的分裂與自旋傾斜效應。
突破性的實驗與理論驗證
HZB 物理學家 Jaime Sánchez-Barriga 博士指出，透過調整鈷單層的數量，可以影響自旋傾斜效應，其中以三層鈷單層的效果最佳。這一結果不僅獲得了實驗數據的支持，也得到了密度泛函理論（DFT）計算的驗證。兩種量子效應的相互影響及增強是此次研究的關鍵發現，這一現象新穎且出乎意料。
此次研究之所以能夠獲得突破，得益於 BESSY II 先進的自旋角解析光電子能譜技術（Spin-ARPES）。Sánchez-Barriga 表示，這項技術使研究團隊能夠精確測量材料的自旋傾斜效應與 Rashba 型自旋軌道分裂，甚至能夠解析其可能比電子自旋本身更顯著的推導。
全球僅有極少數機構擁有具備如此高靈敏度的測量設備。因此，這項研究結果為石墨烯基異質結構在下一代自旋電子裝置中的應用奠定了堅實的基礎，展現出其巨大的潛力。未來，進一步探索不同鐵磁層或重金屬的組合，或許能發現更多新穎的量子效應，加速自旋電子學技術的實用化發展。
文獻參考
- 自旋電子學突破：插入鈷層釋放石墨烯量子潛力
- Spintronics Breakthrough: Unlocking the Quantum Potential of Graphene With Cobalt
- “鐵磁體介導的重金屬電子雜化促進石墨烯中 Rashba 狀自旋紋理”，作者：Beatriz Muñiz Cano、Adrián Gudín、Jaime Sánchez-Barriga、Oliver Clark、Alberto Anadón、Jose Manuel Díez、Pablo Ollerers-Rodrguez、Imando rançois Bertran、Donya Mazhjoo、Gustav Bihlmayer、Oliver Rader、Stefan Blügel、Rodolfo Miranda、Julio Camarero、Miguel Angel Valbuena 和 Paolo Perna，2024 年 6 月 7 日，ACS Nano。 DOI: 10.1021/acsnano.4c02154
（首圖來源：Dall-E/arö/亥姆霍茲柏林研究中心)
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