[論文レビュー] Spin inversion in graphene spin valves by gate-tunable magnetic proximity effect at one-dimensional contacts

Jinsong Xu, Simranjeet Singh+5 more|RePEc: Research Papers in Economics|Feb 21, 2018

Graphene research and applications被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ヘキサゴナル窒化ホウ素（h-BN）カプセル化されたグラフェンスピンバルブに1次元フェリ磁性エッジ接触を用いて、ゲートで制御可能なスピン反転を実証した。バックゲートを用いた静電的フェルミ準位の調整により、磁性近接効果がグラフェンに可逆的なスピン偏極を誘発し、外部磁場やスピン偏極電流を必要とせずに高抵抗状態と低抵抗状態の間を逆転可能にした。これは、低消費電力スピントロニクス素子およびトポロジカルな量子状態を実現するための新規ルートを提供する。

ABSTRACT

Graphene has remarkable opportunities for spintronics due to its high mobility and long spin diffusion length, especially when encapsulated in hexagonal boron nitride (h-BN). Here, for the first time, we demonstrate gate-tunable spin transport in such encapsulated graphene-based spin valves with one-dimensional (1D) ferromagnetic edge contacts. An electrostatic backgate tunes the Fermi level of graphene to probe different energy levels of the spin-polarized density of states (DOS) of the 1D ferromagnetic contact, which interact through a magnetic proximity effect (MPE) that induces ferromagnetism in graphene. In contrast to conventional spin valves, where switching between high- and low-resistance configuration requires magnetization reversal by an applied magnetic field or a high-density spin-polarized current, we provide an alternative path with the gate-controlled spin inversion in graphene. The resulting tunable MPE employing a simple ferromagnetic metal holds promise for spintronic devices and to realize exotic topological states, from quantum spin Hall and quantum anomalous Hall effects, to Majorana fermions and skyrmions.

研究の動機と目的

• 高スピンcoherenceを維持したグラフェンベースのスピンバルブにおけるゲートで制御可能なスピン輸送を達成すること。
• 外部磁場や高密度スピン電流を必要とする従来のスピンバルブの限界を克服すること。
• 1次元フェリ磁性接触における磁性近接効果を活用して、グラフェンに可変スピン偏極を誘発すること。
• 磁場やスピン電流ではなく静電的ゲートを用いる新しいスピントロニクススイッチングメカニズムを実証すること。
• 本系が、量子スピンホール効果やマヨラナフェルミオンといった特異なトポロジカル状態を実現するためのプラットフォームとしての可能性を探索すること。

提案手法

• 高移動度および長スピン拡산長を維持するため、グラフェンをヘキサゴナル窒化ホウ素（h-BN）でカプセル化すること。
• 強い磁性近接効果（MPE）を実現するため、グラフェン上に1次元フェリ磁性エッジ接触を形成すること。
• バックゲートを用いてグラフェン内のフェルミ準位を調整し、MPE界面におけるスピン偏極状態密度（DOS）の異なるエネルギー準位を調査すること。
• 非局所的スピン輸送を測定し、ゲート電圧の関数としてのスピン蓄積および抵抗変調を検出すること。
• MPEを介してスピン偏極の強度および符号をゲート電圧で制御し、スピン反転を実現すること。
• ゲート電圧の変化に応じた系の挙動を解析し、高抵抗状態と低抵抗状態の間の逆転スイッチングを実証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1次元フェリ磁性接触における磁性近接効果を介したゲート電圧が、グラフェンにおけるスピン偏極を制御可能か？
• RQ2 外部磁場や高密度スピン電流を用いずに、グラフェンにおけるスピン反転が達成可能か？
• RQ3 フェルミ準位の調整が、1次元接触を有するグラフェンベーススピンバルブにおけるスピン輸送特性にどのように影響するか？
• RQ4 1次元界面における磁性近接効果が、カプセル化されたグラフェンにおける可変スピン偏極をどの程度実現可能にするか？
• RQ5 本系が、量子異常ホール効果やマヨラナフェルミオンといったトポロジカルスピントロニクス状態を実現するためのプラットフォームとして機能可能か？

主な発見

• 本研究では、フェルミ準位の静電的チューニングにより、外部磁場を要せず、高抵抗状態と低抵抗状態の間を逆転可能なスピン反転を実証した。
• ゲートで制御可能な磁性近接効果により、グラフェンにおけるスピン偏極状態密度の異なるエネルギー準位でのスピン偏極制御が可能となった。
• ゲート電圧の関数として明確な非局所抵抗の変調が観測され、可変スピン輸送の確認が得られた。
• h-BNカプセル化のおかげで高スピンcoherenceを維持し、マイクロメータスケールの距離で安定したスピン輸送が可能となった。
• 観測されたスピン反転効果は、1次元フェリ磁性接触とチューナブルなグラフェンの電子構造の相互作用に起因する。
• これらの結果は、低消費電力スピントロニクス素子の実現および2次元材料における特異なトポロジカル状態の設計に実用的道筋を示唆する。