[論文レビュー] Magnetic-field tunable antiferromagnetism of vacancies in graphene nanoflakes

Matthias Droth, Guido Burkard|arXiv (Cornell University)|May 21, 2014

Graphene research and applications被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ペイエルズ位相を用いたタイトビindingモデルを用いて、グラフェンナノフラクチュア内の2つのバニシティに局在するスピン状態間の交換結合Jが垂直磁場によって調整可能であることを示した。磁場を制御することで、Jを反強磁性状態（J > 0）から非相互作用状態（J = 0）へと現場で切り替えられ、実験的に達成可能なネール温度を有する磁場調整可能なスピントロニクスが実現可能である。

ABSTRACT

Graphene nanoflakes are interesting because electrons are naturally confined in these quasi zerodimensional structures, whereas confinement in bulk graphene would require a bandgap. Vacancies inside the graphene lattice lead to localized states and the spins of such localized states may be used for spintronics. We perform a tight-binding description of a nanoflake with two vacancies and include a perpendicular magnetic field via Peierls’ phase. The tunnel coupling strength and from it the exchange coupling between the localized states can be obtained from the energy splitting between numerically calculated bonding and antibonding energy levels. This allows us to estimate the exchange coupling J , which governs the dynamics of coupled spins. We predict the possibility of switching in-situ from J > 0 to J = 0 by tuning the magnetic field. In the former case, the ground state will be antiferromagnetic with Neel temperatures accessible by experiment.

研究の動機と目的

• グラフェンナノフラクチュア内のバニシティに局在するスピン状態間の交換結合に磁場が及ぼす影響を調査すること。
• ゼロ次元のグラフェン系において、電気的または磁気的要因によるスピン状態の現場制御の可能性を検討すること。
• 外部磁場を用いて交換結合Jを反強磁性（J > 0）から非相互作用状態（J = 0）へと調整可能かどうかを特定すること。
• このような系において、スピントロニクス応用のための実験的に達成可能なネール温度を達成できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 2つのバニシティを含むグラフェンナノフラクチュアを対象として、局在電子状態を記述するためのタイトビindingモデルを適用する。
• 原子間の電子遷移に垂直磁場の効果を組み込むために、ペイエルズ位相を導入する。
• 結合状態と反結合状態のエネルギー分裂から、局在状態間のトンネル結合強度を抽出する。
• 交換結合Jは、このトンネル結合から計算され、2サイト系のスピンダイナミクスを支配する。
• ハミルトニアンの数値的対角化を用いて、さまざまな磁場下でのエネルギー準位を計算し、分裂を抽出する。
• Jが磁場強度に依存する様子を分析し、スピン結合の磁場調整可能な遷移を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場を用いて、グラフェンナノフラクチュア内の2つのバニシティ誘発局在スピン状態間の交換結合Jを調整可能か？
• RQ2 2バニシティ系における結合状態と反結合状態のエネルギー分裂は、磁場にどのように依存するか？
• RQ3 交換結合JがJ > 0（反強磁性）からJ = 0（非相互作用）に遷移する磁場強度はどの程度か？
• RQ4 反強磁性基底状態のネール温度は、実験的に実現可能な条件下で達成可能か？
• RQ5 この系は、スピントロニクス応用のための現場でのスピン結合切り替えに利用可能か？

主な発見

• グラフェンナノフラクチュア内の2つのバニシティ誘発局在スピン状態間の交換結合Jは、垂直磁場を印加することで調整可能である。
• 結合状態と反結合状態のエネルギー分裂は、トンネル結合の直接的な測定値を提供し、これがJを決定する。
• 磁場を増加させることで、J > 0（反強磁性）からJ = 0（非相互作用）への遷移が予測される。
• 反強磁性基底状態のネール温度は、現実的な条件下で実験的に達成可能である。
• 本系は、磁場制御により現場で逆転可能かつ再可逆なスピン結合切り替えを可能とし、調整可能なスピンキュービットへの道筋を提供する。
• 予測された磁場調整可能特性は、ペイエルズ位相とバニシティにおける局在電子構造の相互作用に起因する。