[論文レビュー] Gate-tunable Spin-Orbit-Coupling in Bilayer Graphene-WSe$_2$-heterostructures

Julia Amann, Tobias Völkl+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ブルーレイドをWSe₂上に剥離することで、二層グラフェンにおけるスピン軌道結合のゲート制御を実証した。二重ゲートを用いることで、Rashbaおよび固有のスピン軌道パラメータの電場制御が可能となり、弱い反局在測定により、スピン軌道散乱の強化または抑制が確認された。これは、層極化に依存するスピン軌道結合の広い電場範囲におけるチューニングを示している。

ABSTRACT

Spin-orbit coupling in graphene can be increased far beyond its intrinsic value by proximity coupling to a transition metal dichalcogenide. In bilayer graphene, this effect was predicted to depend on the occupancy of both graphene layers, rendering it gate-tunable by an out-of-plane electric field. We experimentally confirm this prediction by studying magnetotransport in a dual-gated WSe$_2$/bilayer graphene heterostructure. Weak antilocalization, which is characteristic for phase-coherent transport in diffusive samples with spin-orbit interaction, can be strongly enhanced or suppressed at constant carrier density, depending on the polarity of the electric field. From the spin-orbit scattering times extracted from the fits, we calculate the corresponding Rashba and intrinsic spin-orbit parameters. They show a strong dependence on the transverse electric field, which is well described by a gate-dependent layer polarization of bilayer graphene.

研究の動機と目的

• 二層グラフェンにおけるスピン軌道結合が垂直方向電場によってチューニング可能であるという理論予測を実験的に検証すること。
• 二層グラフェンにおける層特異的キャリア占有が、WSe₂に近接することでスピン軌道結合に与える影響を調査すること。
• 二重ゲートヘテロ構造におけるRashbaおよび固有のスピン軌道パラメータのゲート依存的変化を測定・定量すること。
• 垂直電場、層極化、およびスピン軌道散乱時間の間の関係を確立すること。

提案手法

• 機械的剥離とhBNエナクレーショングを用いた二重ゲートWSe₂／二層グラフェンヘテロ構造の作製。
• 二重ゲート電圧を用いて、二層グラフェンにおけるキャリア密度と垂直電場を独立に制御すること。
• 磁場およびゲート電圧の関数としての磁気輸送特性、特に弱い反局在の測定。
• 弱い反局在データのフィッティングによりスピン軌道散乱時間の抽出と、Rashbaおよび固有のスピン軌道結合パラメータの導出。
• スピン軌道パラメータの垂直電場依存性の分析により、層極化効果の確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WSe₂ヘテロ構造における二層グラフェンのスピン軌道結合は、垂直方向電場によって電気的にチューニング可能か？
• RQ2 垂直電場はRashbaおよび固有のスピン軌道結合の相対的寄与にどのように影響するか？
• RQ3 二層グラフェンにおける層極化は、スピン軌道散乱にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 ゲートチューナブルなスピン軌道結合は、層極化二層グラフェンの理論モデルと整合的か？

主な発見

• 一定のキャリア密度でゲート電圧を調整することにより、ヘテロ構造における弱い反局在が強く強化または抑制されることを確認し、スピン軌道結合の電場制御が可能であることを示した。
• 抽出されたスピン軌道散乱時間は垂直電場に強く依存しており、スピン軌道相互作用のチューニングが可能であることを示した。
• Rashbaおよび固有のスピン軌道パラメータは、ゲート誘起電場に強く依存しており、理論的予測と整合的であった。
• 観測された電場依存性は、二層グラフェンにおけるゲートチューニングされた層極化モデルで良好に記述された。
• 本結果により、van der Waalsヘテロ構造における静電的ゲーティングによって、二層グラフェンのスピン軌道結合を工学的に設計可能であることが確認された。