[論文レビュー] Electrical control of spin and valley in spin-orbit coupled graphene multilayers

Taige Wang, Marc Vila+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2023

Graphene research and applications参考文献 66被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、遷移金属ジ chalcogenides (TMDs) でカプセル化されたキラル積層グラフェンマルチレイヤー（例：バイレイヤーまたはトリレイヤー・グラフェン）におけるスピンおよびバルク度の電気的スイッチング機構を提案する。この機構は、近接効果によるスピン軌道結合と相関電子効果を活用する。上部および下部ゲート電圧による垂直方向の電界または化学ポテンシャルを反転させることで、等スピン状態を効果的にスイッチ可能であり、モアレ超格子を必要とせず、電気的制御が可能なスピントロニクスおよびバルクトロニクスを実現する。

ABSTRACT

Electrical control of magnetism has been a major techonogical pursuit of the spintronics community, owing to its far-reaching implications for data storage and transmission. Here, we propose and analyze a new mechanism for electrical switching of isospin, using chiral-stacked graphene multilayers, such as bernal bilayer graphene or rhombohedral trilayer graphene, encapsulated by transition metal dichalcogenide (TMD) substrates. Leveraging the proximity-induced spin-orbit coupling from the TMD, we demonstrate electrical switching of correlation-induced spin and/or valley polarization, by reversing a perpendicular displacement field or the chemical potential. We substantiate our proposal with both analytical arguments and self-consistent Hartree-Fock numerics. Finally, we illustrate how the relative alignment of the TMDs, together with the top and bottom gate voltages, can be used to selectively switch distinct isospin flavors, putting forward correlated van der Waals heterostructures as a promising platform for spintronics and valleytronics.

研究の動機と目的

• 2次元のファンデルワールスヘテロ構造におけるスピンおよびバルク自由度の電気的制御のためのプラットフォームを構築すること。
• ねじれ角の不規則性やデバイス間ばらつきといったモアレ超格子の制限を克服すること。
• ゲート電圧およびTMDの整列状態を用いて、スピンおよびバルク極化の選択的スイッチングを実証すること。
• 近接効果によるスピン軌道結合と電子相関効果に依存する等スピンスイッチングのメカニズムを確立すること。

提案手法

• Bernalバイレイヤーまたはルーマホードルトリレイヤー・グラフェンなどのキラル積層グラフェンマルチレイヤーを遷移金属ジカルコゲナイド（TMDs）でカプセル化し、近接効果によって強いスピン軌道結合を誘発する。
• 自己無撞着ハートリー・フォック数値計算を用いて相関電子相をモデル化し、外部場下でのスピン／バルク極化を分析する。
• ベリー曲率および単粒子波動関数を用いて、軌道磁化およびバルクg因子を分析し、磁気的応答を定量化する。
• 2Nℓバンドタイトバンドハミルトニアンを用いて系をモデル化し、電界および化学ポテンシャルの関数として磁化を計算する。
• スピン軌道結合によるスピン・バルクロック効果を活用し、スピンおよびバルク極化を同時にスイッチ可能にする。
• 電界反転において軌道磁化が奇対称性を示すことに着目し、等スピン状態の非可逆的スイッチングを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モアレ超格子に依存せずに、グラフェンマルチレイヤーにおけるスピンおよびバルク極化を電気的にスイッチできるか？
• RQ2 上部および下部TMD層の相対的整列が、等スピンスイッチングの選択性にどのように影響するか？
• RQ3 ゲート電圧が、異なるスピン・バルク極化状態間のデゲネラシー分裂を制御できるか？
• RQ4 近接効果によるスピン軌道結合が、等スピン自由度の電気的制御を可能にする役割は何か？
• RQ5 相関のあるグラフェン-TMDヘテロ構造において、軌道磁化は電界および化学ポテンシャルにどのように依存するか？

主な発見

• 垂直方向の電界を反転させることで、電界反転下における軌道磁化の奇対称性に起因し、バルクおよびスピン極化が両方反転する。
• バルクg因子は $ g_v = \frac{N_\ell e}{2\pi|n|\hbar\mu_B} \left[ u_D - |\mu| \text{sgn}(u_D) \right] $ で与えられ、電界およびドーピングに強く依存する。
• スピン軌道結合が時間反転対称関係にあるスピン・バルク状態間のデゲネラシーを解除し、ゲート電圧による選択的スイッチングを可能にする。
• 数値的ハートリー・フォック計算により、電界が増加するに従い軌道磁化が減少することが確認され、解析的予測と整合的である。
• 強い電子相関が存在する状態では、低キャリア密度で安定したスピンおよびバルク極化を示すフェロ磁性相が実現可能である。
• 上部および下部TMD層の相対的整列により、スイッチ可能な等スピンフレーバー（スピンまたはバルク）を制御可能となり、マルチモード制御が可能となる。