[논문 리뷰] Spin inversion in graphene spin valves by gate-tunable magnetic proximity effect at one-dimensional contacts

Jinsong Xu, Simranjeet Singh외 5명|RePEc: Research Papers in Economics|2018. 02. 21.

Graphene research and applications인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 일차원 페로자성 모서리 접촉을 이용한 봉쇄된 그래핀 스피너밸브에서 게이트 조절 가능한 스핀 역전 현상을 입증한다. 백게이트를 통해 전자기적으로 페르미 수준을 조절함으로써 자성 인접 효과가 그래핀 내에서 조절 가능한 스핀 분극을 유도하며, 외부 자기장이나 스핀 분극 전류 없이 고저항 상태와 저저항 상태 사이의 가역적 스위칭을 가능하게 한다—이로써 저전력 스핀트로닉스 장치 및 토폴로지적 양자 상태를 위한 새로운 길을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고스핀 공명을 유지하는 그래핀 기반 스피너밸브에서 게이트 제어 가능한 스핀 운반을 달성하기 위해.
• 저항 스위칭을 위해 외부 자기장이나 높은 전류 밀도가 필요한 전통적 스피너밸브의 한계를 극복하기 위해.
• 일차원 페로자성 접촉에서의 자성 인접 효과를 활용하여 그래핀 내에서 조절 가능한 스핀 분극을 유도하기 위해.
• 자기장이나 스핀 전류 대신 전기적 게이팅을 통해 스핀트로닉스 스위칭을 위한 새로운 메커니즘을 입증하기 위해.
• 이 시스템이 양자 스핀 홀 효과나 마요라나 페르미온과 같은 이상적인 토폴로지적 상태를 실현하는 데 어떻게 활용될 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 고이동도와 긴 스핀 확산 길이를 유지하기 위해 그래핀을 헥사곤형 붕소 nitride(h-BN)로 봉쇄하기 위해.
• 강한 자성 인접 효과(MPE)를 유도하기 위해 그래핀에 일차원 페로자성 모서리 접촉을 제작하기 위해.
• 백게이트를 적용하여 그래핀 내 페르미 수준을 조절하고 MPE 인터페이스에서 스핀 분극 밀도 상태(DOS)의 다양한 에너지 수준을 탐사하기 위해.
• 비국소적 스핀 운반을 측정하여 게이트 전압에 따른 스핀 축적과 저항 조절을 탐지하기 위해.
• MPE를 통해 스핀 분극의 강도와 부호를 게이트 전압으로 제어함으로써 스핀 역전을 가능하게 하기 위해.
• 게이트 전압에 따른 시스템의 거동을 분석하여 고저항 상태와 저저항 상태 사이의 가역적 스위칭을 입증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1D 페로자성 접촉에서 자성 인접 효과를 통해 게이트 전압이 그래핀 내 스핀 분극을 제어할 수 있는가?
• RQ2 외부 자기장이나 고밀도 스핀 전류 없이 그래핀에서 스핀 역전이 가능할 수 있는가?
• RQ3 페르미 수준을 조절할 경우, 1D 접촉을 갖는 그래핀 기반 스피너밸브에서 스핀 운반 특성은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ4 1D 인터페이스에서의 자성 인접 효과가 봉쇄된 그래핀에서 조절 가능한 스핀 분극을 얼마나 잘 유도할 수 있는가?
• RQ5 이 시스템이 양자 이상 홀 효과나 마요라나 페르미온과 같은 토폴로지적 스핀트로닉스 상태를 실현하는 플랫폼으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 연구는 외부 자기장 없이 전기적 게이트 조절을 통해 그래핀 내에서 스핀 역전을 가역적으로 구현함으로써 고저항 상태와 저저항 상태 사이의 스위칭을 달성하였다.
• 게이트 조절 가능한 자성 인접 효과는 그래핀 내 스핀 분극 밀도 상태의 다양한 에너지 수준에서 스핀 분극을 제어할 수 있게 하였다.
• 게이트 전압에 따라 비국소적 저항이 뚜렷하게 조절되는 것이 관측되어 조절 가능한 스핀 운반을 확인하였다.
• h-BN 봉쇄 덕분에 시스템은 높은 스핀 공명을 유지하여 마이크로미터 규모의 거리에서 견고한 스핀 운반을 가능하게 하였다.
• 관측된 스핀 역전 효과는 1D 페로자성 접촉과 조절 가능한 그래핀의 전자 구조 간의 상호작용에서 기인하였다.
• 결과적으로 이는 저전력 스핀트로닉스 장치 개발 및 2차원 물질에서 이상적인 토폴로지적 상태를 설계하는 데 실현 가능한 길을 제시한다.