[論文レビュー] Giant anisotropic spin splitting in epitaxial graphene

Isabella Gierz, J. Hugo Dil+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2010

Graphene research and applications被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、SiC(0001)上に形成された水素イオンデュースト埋込型の準自由状態グラフェン単層膜を用いて、スピンおよび角度分解光電子分光法（SARPES）を用いてエpitaxialグラフェンのスピン分離を調査した。結果として、Rashba型スピン分離に対応するスピン極性化信号が得られ、Δk = (0.024 ± 0.005) Å⁻¹であった。これは従来のARPESにおけるスピン幅よりも顕著に大きく、信号が単純なπバンドのRashba分離を越えたメカニズムに起因する可能性を示唆している。

ABSTRACT

Our recently reported spin and angular resolved photoemission (SARPES) results on an epitaxial graphene monolayer on SiC(0001) suggested the presence of a large Rashba-type spin splitting of \Delta k=(0.030+-0.005)1/A [1]. Although this value was orders of magnitude larger than predicted theoretically, it could be reconciled with the line width found in conventional spin-integrated high resolution angular resolved photoemission spectroscopy (ARPES) data. Here we present novel measurements for a hydrogen intercalated quasi free-standing graphene monolayer on SiC(0001) that reveal a spin polarization signal that - when interpreted in terms of the Rashba-Bychkov effect [2,3] - corresponds to a spin splitting of \Delta k=(0.024+-0.005)1/A. This splitting is significantly larger than the half width at half maximum of spin-integrated high resolution ARPES measurements which is a strong indication that the measured polarization signal does not originate from a Rashba-type spin splitting of the graphene pi-bands as we suggested in our previous report [1].

研究の動機と目的

• SiC(0001)上にエpitaxialグラフェンで観測された異常な大きなスピン分離の起源を調査すること。
• 観測されたスピン極性化信号が、グラフェンπバンドのRashba型スピン分離に起因するかを特定すること。
• 従来のARPES測定で観測された大きなスピン分離値と広いライン幅の間の矛盾を解消すること。
• スピン極性化信号がグラフェンバンド構造の本質的性質に起因するのか、外部要因に起因するのかを明確にすること。

提案手法

• SiC(0001)上に形成された水素イオンデュースト埋込型の準自由状態グラフェン単層膜を用い、スピンおよび角度分解光電子分光法（SARPES）を実施した。
• 運動量および発光角度の関数としてのスピン極性化を測定し、スピン分離の大きさを抽出した。
• 観測されたスピン分離とスピン統合ARPESデータの半最大全幅（HWHM）を比較し、整合性を評価した。
• Rashba-Bychkov効果の枠組みで結果を解釈し、グラフェンにおけるRashbaモデルの妥当性を評価した。
• 比較的分析のため、先行SARPES測定から得られたΔk = (0.030 ± 0.005) Å⁻¹の参照値を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エpitaxialグラフェンで観測された大きなスピン分離信号は、πバンドのRashba型スピン分離に起因するのか？
• RQ2 測定されたスピン分離の大きさは、ARPES特徴の固有のライン幅とどのように比較されるか？
• RQ3 Rashba分離に起因すると仮定した場合、観測されたスピン極性化は従来のARPESライン幅と整合するか？
• RQ4 スピン分離とライン幅の乖離は、信号の起源について何を示唆するのか？

主な発見

• 水素イオンデュースト埋込グラフェンにおける測定されたスピン分離は、Rashba-Bychkovモデルに従って推定されたΔk = (0.024 ± 0.005) Å⁻¹であった。
• このスピン分離値は、スピン統合ARPES測定の半最大全幅よりも顕著に大きく、典型的な多体的幅ひずみとは一致しないことを示唆している。
• 大きなスピン分離と狭いARPESライン幅の間の乖離は、スピン極性化信号がグラフェンπバンドのRashba型分離に起因するものではないことを強く示唆している。
• 本結果は、当初のSARPESデータ解釈を揺るがし、信号がπバンドにおけるRashba分離に起因するとした仮定を再考する必要があることを示している。