[論文レビュー] Boosting proximity spin orbit coupling in graphene/WSe$_2$ heterostructures via hydrostatic pressure

Bálint Fülöp, Albin Márffy+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2021

Graphene research and applications参考文献 66被引用数 66

ひとこと要約

本研究では、ヘテロ構造の層間距離を縮小することで、静水圧がグラフェン/WSe₂ヘテロ構造における近接効果誘発スピンオービット結合（SOC）を強化することを示している。磁気伝導度測定において弱局在から弱反局在への明確な遷移が確認され、1.8 GPaの圧力下でSOC強度が3倍に増大することが判明した。これにより、2次元材料におけるスピンオービット結合のチューニングが可能になった。

ABSTRACT

Van der Waals heterostructures composed of multiple few layer crystals allow the engineering of novel materials with predefined properties. As an example, coupling graphene weakly to materials with large spin orbit coupling (SOC) allows to engineer a sizeable SOC in graphene via proximity effects. The strength of the proximity effect depends on the overlap of the atomic orbitals, therefore, changing the interlayer distance via hydrostatic pressure can be utilized to enhance the interlayer coupling between the layers. In this work, we report measurements on a graphene/WSe$_2$ heterostructure exposed to increasing hydrostatic pressure. A clear transition from weak localization to weak anti-localization is visible as the pressure increases, demonstrating the increase of induced SOC in graphene.

研究の動機と目的

• 静水圧を用いたグラフェンにおける近接効果誘発スピンオービット結合（SOC）の実験的チューニングを示すこと。
• 層間距離の変調がグラフェン/WSe₂ヘテロ構造におけるSOC強度に与える影響を調査すること。
• 静水圧を2次元材料におけるスピンオービット結合のエンジニアリングおよびトポロジカル状態の実現に有効な制御パラメータとして確立すること。
• 弱局在測定を用いて、圧力誘発の軌道混合による理論的予測のSOC強化を検証すること。

提案手法

• Si/SiO₂基板上に乾式積層法を用いてグラフェン/WSe₂/h-BNヘテロ構造を形成し、グローバルバックゲートを用いた。
• キロセンを充塡したピストンシリンダーセルを用いて静水圧（最大1.8 GPa）を印加し、低温（1.5 K）測定を維持した。
• 変動するバックゲート電圧および圧力条件下で、2端子伝導度および低磁場磁気伝導度測定を実施した。
• 弱局在（WL）および弱反局在（WAL）信号を抽出するために、対称化および外部磁場差し引きを行った伝導度マップを用いた。
• 磁気伝導度曲線を3パラメータおよび5パラメータの式でフィッティングし、スピンオービット散乱時間（τϕ、τasy、τiv）を抽出した。
• 圧力に応じたフィッティング結果の比較を通じて、SOC強度の変化を評価し、WALピーク振幅をSOCの代理指標として焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静水圧はグラフェン/WSe₂ヘテロ構造における近接効果誘発スピンオービット結合を強化できるか？
• RQ2 静水圧による層間距離の縮小が、グラフェンにおけるスピンオービット結合強度にどのように影響するか？
• RQ3 圧力下で観察された弱局在から弱反局在への遷移は、SOCの増大と相関しているか？
• RQ4 スピンオービット散乱時間（τϕ）は、圧力誘発変化と定量的に相関して抽出可能か？
• RQ5 この系においてバルクゼーマン効果に類似したSOC効果は測定可能であり、弱局在挙動に影響を与えるか？

主な発見

• 圧力が0から1.8 GPaに上昇するに従い、磁気伝導度曲線に弱局在から弱反局在への明確な遷移が観察された。
• 1.8 GPaの圧力下でWALピーク振幅が約3倍に増大し、近接効果誘発スピンオービット結合の顕著な強化が示された。
• 抽出されたスピンオービット散乱時間τϕは、0 GPaで約1.0 × 10⁻¹¹ sから1.8 GPaで約3.3 × 10⁻¹² sに減少し、SOC強度の増大と整合的であった。
• 面内スピンオービット散乱時間τasyも圧力上昇に伴い減少傾向を示し、スピンオービット結合の強化を裏付けた。
• 3パラメータおよび5パラメータの両方のフィッティング式の結果が一貫しており、抽出されたスピンオービット時間の信頼性が裏付けられ、3パラメータモデルの適用可能性が確認された。
• バルクゼーマン効果（τsym）に顕著な影響は認められず、観察されたWAL挙動が主にラシュバ型SOCに起因していることが示された。