自旋电子学透过操纵电子自旋，能使电子设备的运作速度加快并降低能耗，但生成、操纵材料自旋纹理仍存在挑战。最近一个西班牙─德国研究团队发现，当石墨烯与钴及铱等重金属层层叠加时，会展现出增强的量子效应，例如提升自旋轨道耦合与自旋倾斜，这对自旋电子学的发展极为有利。
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石墨烯与自旋电子学
自旋电子学利用电子的自旋特性来执行逻辑运算与资料储存，其设备在速度与能耗方面均可能超越传统半导体。然而，生成与操纵材料中的自旋纹理仍面临重大挑战。石墨烯是一种由碳原子构成的二维蜂窝结构，被认为是自旋电子应用的潜在候选材料。当石墨烯沉积于重金属薄膜上时，会在其界面产生强烈的自旋轨道耦合，并带来多种量子效应，包括 Rashba 效应（能阶的自旋轨道分裂）与 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用（自旋排列的倾斜）。特别是自旋倾斜效应，可用来稳定涡旋状自旋纹理（Skyrmion），而 Skyrmion 被认为是未来自旋电子学的关键元素。
※知识小补充:自旋是电子的特性，可产生磁性并影响电子元件应用。不同于传统电子元件，自旋控制带来更多可能性。当磁性与非磁性物质接触时，会相互影响并产生「磁邻近效应」，这一特性正广泛应用于磁性记忆体。
钴层的增强作用
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。
在德国亥姆霍兹柏林研究中心（HZB）BESSY II 进行的光谱分析显示，石墨烯不仅与钴层相互作用，还透过钴与铱层发生间接相互作用。这意味着，石墨烯与重金属之间的相互作用是由铁磁钴层介导的，进而增强了能阶的分裂与自旋倾斜效应。
突破性的实验与理论验证
HZB 物理学家 Jaime Sánchez-Barriga 博士指出，透过调整钴单层的数量，可以影响自旋倾斜效应，其中以三层钴单层的效果最佳。这一结果不仅获得了实验数据的支持，也得到了密度泛函理论（DFT）计算的验证。两种量子效应的相互影响及增强是此次研究的关键发现，这一现象新颖且出乎意料。
此次研究之所以能够获得突破，得益于 BESSY II 先进的自旋角解析光电子能谱技术（Spin-ARPES）。 Sánchez-Barriga 表示，这项技术使研究团队能够精确测量材料的自旋倾斜效应与 Rashba 型自旋轨道分裂，甚至能够解析其可能比电子自旋本身更显著的推导。
全球仅有极少数机构拥有具备如此高灵敏度的测量设备。因此，这项研究结果为石墨烯基异质结构在下一代自旋电子装置中的应用奠定了坚实的基础，展现出其巨大的潜力。未来，进一步探索不同铁磁层或重金属的组合，或许能发现更多新颖的量子效应，加速自旋电子学技术的实用化发展。
文献参考
- 自旋电子学突破：插入钴层释放石墨烯量子潜力
- Spintronics Breakthrough: Unlocking the Quantum Potential of Graphene With Cobalt
- “铁磁体介导的重金属电子杂化促进石墨烯中 Rashba 状自旋纹理”，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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