[论文解读] Coupled spin and valley physics in monolayer MoS2 and group-VI dichalcogenides

Di Xiao, Gui‐Bin Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2011

2D Materials and Applications被引用 2

一句话总结

该论文表明，在单层MoS2及VI族二硫属化合物中，自旋-轨道耦合与反演对称性破缺诱导出强自旋-谷耦合，从而实现对自旋与谷自由度的同步调控。该耦合抑制了弛豫过程，实现了自旋霍尔效应与谷霍尔效应的共存，并可通过偏振依赖的光学跃迁实现选择性光激发以及长寿命的自旋/谷累积。

ABSTRACT

We show that inversion symmetry breaking together with spin-orbit coupling leads to coupled spin and valley physics in monolayers of MoS2 and other group-VI dichalcogenides, making possible controls of spin and valley in these 2D materials. The spin-valley coupling at the valence band edges suppresses spin and valley relaxation, as flip of each index alone is forbidden by the valley contrasting spin splitting. Valley Hall and spin Hall effects coexist in both electron-doped and hole-doped systems. Optical interband transitions have frequency-dependent polarization selection rules which allow selective photoexcitation of carriers with various combination of valley and spin indices. Photo-induced spin Hall and valley Hall effects can generate long lived spin and valley accumulations on sample boundaries. The physics discussed here provides a route towards the integration of valleytronics and spintronics in multi-valley materials with strong spin-orbit coupling and inversion symmetry breaking.

研究动机与目标

• 理解自旋-轨道耦合与反演对称性破缺如何共同影响单层VI族二硫属化合物中的自旋与谷物理。
• 探讨自旋-谷耦合对自旋与谷弛豫动力学的影响。
• 研究电子掺杂与空穴掺杂体系中自旋霍尔效应与谷霍尔效应的共存与相互作用。
• 确定光学带间跃迁的偏振选择规则及其在选择性载流子激发中的作用。
• 评估利用光致效应在样品边界生成长寿命自旋与谷累积的潜力。

提出的方法

• 基于紧束缚模型中的自旋-轨道耦合，对单层MoS2的电子能带结构进行理论分析。
• 由于反演对称性破缺，识别价带边处谷对比性自旋分裂。
• 基于对称性与自旋-轨道耦合，推导光学带间跃迁的偏振依赖选择规则。
• 利用输运与对称性论证，在电子掺杂与空穴掺杂区域建模自旋与谷霍尔效应。
• 通过圆偏振光激发，计算光致自旋与谷霍尔效应。
• 分析由于选择规则禁止单指数翻转（仅自旋或仅谷），导致弛豫被抑制的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在反演对称性破缺条件下，单层MoS2中的自旋-轨道耦合如何导致自旋-谷纠缠？
• RQ2 自旋与谷自由度的弛豫机制是什么？自旋-谷耦合如何抑制这些弛豫？
• RQ3 在单层二硫属化合物的电子掺杂与空穴掺杂体系中，自旋霍尔效应与谷霍尔效应能否共存？
• RQ4 光学带间跃迁的偏振选择规则是什么？它们如何实现对自旋-谷态的选择性激发？
• RQ5 光致自旋与谷霍尔效应是否能生成样品边界处的长寿命累积？

主要发现

• 单层MoS2中的自旋-谷耦合源于自旋-轨道耦合与反演对称性破缺的协同作用，导致谷依赖的自旋分裂。
• 由于谷对比性自旋分裂导致仅翻转自旋或仅翻转谷的跃迁被选择规则禁止，自旋与谷的弛豫被抑制。
• 在电子掺杂与空穴掺杂体系中，自旋霍尔效应与谷霍尔效应均能共存，表明其在载流子类型上的鲁棒性。
• 光学带间跃迁表现出频率依赖的偏振选择规则，可实现对特定自旋-谷态的选择性光激发。
• 光致自旋霍尔与谷霍尔效应可因弛豫被抑制，在样品边界生成长寿命的自旋与谷累积。
• 自旋与谷自由度的耦合物理为在强自旋-轨道耦合的二维材料中实现自旋电子学与谷电子学的集成提供了可行路径。