[論文レビュー] Coupled spin and valley physics in monolayer MoS2 and group-VI dichalcogenides

Di Xiao, Gui‐Bin Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2011

2D Materials and Applications被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、モノレイヤーMoS2および群-VIジチalcogenidesにおけるスピン軌道結合と反転対称性の破れが、強いスピン・バルク結合を引き起こし、スピンおよびバルク自由度を同時に制御可能であることを示している。この結合は緩和を抑制し、スピンおよびバルクホール効果の共存を可能にするとともに、偏光依存の光学遷移を通じて選択的光励起および長寿命のスピン／バルク蓄積を可能にする。

ABSTRACT

We show that inversion symmetry breaking together with spin-orbit coupling leads to coupled spin and valley physics in monolayers of MoS2 and other group-VI dichalcogenides, making possible controls of spin and valley in these 2D materials. The spin-valley coupling at the valence band edges suppresses spin and valley relaxation, as flip of each index alone is forbidden by the valley contrasting spin splitting. Valley Hall and spin Hall effects coexist in both electron-doped and hole-doped systems. Optical interband transitions have frequency-dependent polarization selection rules which allow selective photoexcitation of carriers with various combination of valley and spin indices. Photo-induced spin Hall and valley Hall effects can generate long lived spin and valley accumulations on sample boundaries. The physics discussed here provides a route towards the integration of valleytronics and spintronics in multi-valley materials with strong spin-orbit coupling and inversion symmetry breaking.

研究の動機と目的

• モノレイヤー群-VIジチalcogenidesにおけるスピン軌道結合と反転対称性の破れがスピンおよびバルク物理学に与える共同的影響を理解すること。
• スピン・バルク結合がスピンおよびバルク緩和ダイナミクスに与える影響を調査すること。
• 電子ドーピングおよびホールドーピング系の両方において、スピンホール効果とバルクホール効果の共存および相互作用を調査すること。
• 光学遷移のための偏光選択則を特定し、それらが特定のキャリア励起に果たす役割を明らかにすること。
• 光誘起効果を用いて、試料境界に長寿命のスピンおよびバルク蓄積を生成する可能性を評価すること。

提案手法

• タイトバインディングモデルを用いたモノレイヤーMoS2における電子状態構造の理論的分析、スピン軌道結合を含む。
• 反転対称性の破れに起因する価電子帯端におけるバルク対照的スピン分裂の同定。
• 対称性およびスピン軌道結合に基づく光学遷移の偏光依存選択則の導出。
• 輸送および対称性の議論を用いて、電子ドーピングおよびホールドーピング領域におけるスピンおよびバルクホール効果のモデル化。
• 円偏光光を用いた光学励起による光誘起スピンおよびバルクホール効果の計算。
• 単一インデックスの反転（スピンまたはバルクのみ）を禁じる選択則に起因する緩和抑制の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤーMoS2におけるスピン軌道結合は、反転対称性が破れた条件下でどのようにスピン・バルクもつれを生じるか？
• RQ2 スピンおよびバルク自由度の緩和機構は何か？ また、スピン・バルク結合はそれらをどのように抑制するか？
• RQ3 モノレイヤージチalcogenidesの電子ドーピングおよびホールドーピング系の両方において、スピンホール効果とバルクホール効果は共存可能か？
• RQ4 光学遷移のための偏光選択則は何か？ そして、それらはどのように特定のスピン・バルク状態の選択的励起を可能にするか？
• RQ5 光誘起スピンおよびバルクホール効果は、試料境界に長寿命の蓄積を生成できるか？

主な発見

• モノレイヤーMoS2におけるスピン・バルク結合は、スピン軌道結合と反転対称性の破れの相乗作用に起因し、バルク依存のスピン分裂を引き起こす。
• スピンおよびバルクの緩和は、バルク対照的スピン分裂に起因して、スピンまたはバルクインデックスを単独で反転させることが選択則で禁じられているため抑制される。
• 電子ドーピングおよびホールドーピング系の両方において、スピンホール効果とバルクホール効果が共存しており、キャリアタイプにかかわらず堅牢であることが示された。
• 光学遷移は周波数依存の偏光選択則を示し、特定のスピン・バルク状態の選択的光励起を可能にする。
• 光誘起スピンホールおよびバルクホール効果は、緩和が抑制されているため、試料境界に長寿命のスピンおよびバルク蓄積を生成できる。
• 結合されたスピンおよびバルク物理学は、強いスピン軌道結合を有する2次元材料における統合的スピントロニクスおよびバルクトロニクスへの道筋を提供する。