[论文解读] Electrical Control of the Rashba-Edelstein Effect in a Graphene/2H-TaS2 Van der Waals Heterostructure at Room Temperature

Lijun Li, Jin Zhang+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2019

Quantum and electron transport phenomena被引用 2

一句话总结

本研究在石墨烯/2H-TaS2范德华异质结中展示了室温下通过Rashba-EdeIstein效应实现的电控自旋极化。通过施加栅压，实现了自旋极化的完全反转，从而在非磁性界面中实现了非平衡自旋态的全电控操纵，其机制源于邻近诱导的自旋-轨道耦合导致的自旋-动量锁定。

ABSTRACT

Van der Waals heterostructures are prime candidates to explore interfacial spin-orbit-coupling (SOC) phenomena for both fundamental spintronics research and applications. Proximity-induced SOC and spin dynamics engineering have been recently achieved in graphene/semiconducting dichalcogenide bilayers. However, the emergence of spin-momentum-locked 2D Dirac fermions in a van der Walls material, pivotal for all-electrical control over the electron spin moment, has remained elusive. Here, we report current-induced spin polarization, a direct consequence of spin-momentum locking due to broken mirror symmetry, in a semi-metallic graphene/2H-TaS2 bilayer. Spin-sensitive electrical measurements unveil full spin polarization reversal by gate voltage (i.e., spin switching) at room temperature. The on-demand electrical generation and control of nonequilibrium spin polarization, not previously observed in a nonmagnetic heterointerface, is an elegant manifestation of unconventional 2D Dirac fermions with robust spin-helical structure. Our findings, supported by first-principles calculations, establish a new route to design low-power spin-logic circuits from layered materials.

研究动机与目标

• 在室温下展示非磁性范德华异质结中自旋极化的电控。
• 探索由于界面自旋-轨道耦合而在石墨烯/2H-TaS2界面处出现的自旋-动量锁定二维狄拉克费米子。
• 利用栅压实现对非平衡自旋极化的按需生成与反转。
• 建立基于二维层状材料的低功耗自旋逻辑器件平台。

提出的方法

• 采用机械剥离和干法转移技术制备石墨烯/2H-TaS2范德华异质结。
• 采用对自旋敏感的电输运测量技术检测电流诱导的自旋极化。
• 施加背栅电压以调节费米能级，并调制异质结中的自旋极化。
• 利用第一性原理计算确认邻近诱导的自旋-轨道耦合及自旋螺旋表面态的存在。
• 测量Rashba-EdeIstein效应作为界面处自旋-动量锁定的特征信号。
• 分析在不同栅压下自旋极化反转的动力学行为，以确认完全的电控能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能在室温下对非磁性石墨烯/2H-TaS2异质结中的自旋极化实现电控？
• RQ2 界面自旋-轨道耦合在异质结界面处的二维狄拉克费米子中诱导自旋-动量锁定的程度如何？
• RQ3 在具有半金属石墨烯的范德华异质结中，Rashba-EdeIstein效应是否可观测且可调控？
• RQ4 栅压是否能在非磁性系统中诱导非平衡自旋极化的完全反转？
• RQ5 第一性原理计算如何支持该体系中稳健自旋螺旋态的出现？

主要发现

• 在室温下观察到石墨烯/2H-TaS2异质结中的电流诱导自旋极化，证实了Rashba-EdeIstein效应的存在。
• 通过调节栅压实现了自旋极化的完全反转，证明了全电控自旋开关的可行性。
• 观测到的自旋极化源于异质结界面处因镜像对称性破缺而引起的自旋-动量锁定。
• 第一性原理计算证实了邻近诱导的自旋-轨道耦合以及稳健的自旋螺旋表面态的存在。
• 该体系实现了在非磁性界面中按需电控生成和调控非平衡自旋极化。
• 研究结果为基于二维范德华异质结设计低功耗自旋逻辑电路提供了新路径。