[논문 리뷰] Gate-tunable Spin-Orbit-Coupling in Bilayer Graphene-WSe$_2$-heterostructures

Julia Amann, Tobias Völkl외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 10.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 이중층 그래핀을 WSe₂ 위에 분리하여, 이중 게이팅을 통해 라슈바 및 내재된 스핀 오비트 상수를 전기장으로 제어할 수 있는 게이트 조절 가능한 스핀 오비트 결합을 입증한다. 약한 반국소화 측정을 통해 스핀 오비트 산산이 강하게 증가하거나 억제됨을 확인하여, 층 극성에 의존하는 스핀 오비트 결합이 넓은 전기장 범위에서 조절 가능하다는 것을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이중층 그래핀에서 스핀 오비트 결합이 수직 방향 전기장에 의해 조절될 수 있다는 이론적 예측을 실험적으로 검증하는 것.
• 이중층 그래핀에서 층 특화된 실리콘 농도가 WSe₂와의 인접성에 의해 스핀 오비트 결합에 어떤 영향을 미치는지 조사하는 것.
• 이중 게이팅된 이종구조에서의 라슈바 및 내재된 스핀 오비트 상수의 게이트 의존적 변화를 측정하고 정량화하는 것.
• 수직 전기장, 층 극성, 이중층 그래핀에서의 스핀 오비트 산산 시간 사이의 연관성을 설정하는 것.

제안 방법

• 기계적 분리와 hBN 봉입을 이용한 이중 게이팅된 WSe₂/이중층 그래핀 이종구조의 제작.
• 이중 게이팅 전압을 적용하여 이중층 그래핀의 실리콘 농도와 수직 전기장을 독립적으로 제어하는 것.
• 자기장 및 게이팅 전압의 함수로 자화도 전송 특성, 특히 약한 반국소화를 측정하는 것.
• 약한 반국소화 데이터를 피팅하여 스핀 오비트 산산 시간을 추출하고, 라슈바 및 내재된 스핀 오비트 결합 상수를 유추하는 것.
• 스핀 오비트 상수가 수직 전기장에 따라 어떻게 변화하는지 분석하여 층 극성 효과를 확인하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WSe₂ 이종구조에서 이중층 그래핀의 스핀 오비트 결합이 수직 전기장에 의해 전기적으로 조절될 수 있는가?
• RQ2 수직 전기장은 라슈바 및 내재된 스핀 오비트 결합의 기여도 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이중층 그래핀의 층 극성이 스핀 오비트 산산에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 게이트 조절 가능한 스핀 오비트 결합은 층 극성이 있는 이중층 그래핀의 이론 모델과 일치하는가?

주요 결과

• 일정한 실리콘 농도에서 게이팅 전압을 조절함으로써 이종구조에서의 약한 반국소화가 강하게 증가하거나 억제됨을 확인하여, 스핀 오비트 결합의 전기장 제어가 가능하다는 것을 나타낸다.
• 추출된 스핀 오비트 산산 시간은 수직 전기장에 따라 크게 변화함을 보여 이중층 그래핀에서 스핀 오비트 상호작용이 조절 가능하다는 것을 입증한다.
• 라슈바 및 내재된 스핀 오비트 상수는 게이팅에 의해 유도된 전기장에 강하게 의존하며, 이는 이론 예측과 일치한다.
• 관측된 전기장 의존성은 이중층 그래핀에서 게이팅에 의해 조절되는 층 극성 모델에 잘 맞는다.
• 결과적으로, 이중층 그래핀에서의 스핀 오비트 결합은 반데르발스 이종구조에서 전기적 게이팅을 통해 설계될 수 있음을 확인한다.