[论文解读] 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 6

一句话总结

该论文提出了一种在手性堆叠的石墨烯多层结构（如双层或三层石墨烯）中实现电控自旋和谷极化的机制，该结构被过渡金属二硫属化物（TMDs）封装，利用近邻诱导的自旋-轨道耦合和关联电子效应。通过改变上下栅电压调节垂直位移场或化学势，可选择性地切换同位旋态，从而实现无需摩尔超晶格的电控自旋电子学与谷电子学。

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.

研究动机与目标

• 开发一种在二维范德华异质结构中实现自旋和谷自由度电控的平台。
• 克服摩尔超晶格的局限性，如扭转角无序性和器件间变异性。
• 通过栅电压和TMD取向，展示对自旋和谷极化的选择性切换。
• 建立一种依赖于近邻诱导自旋-轨道耦合和电子关联效应的同位旋切换机制。

提出的方法

• 利用手性堆叠的石墨烯多层结构（如Bernal双层或菱面三重层石墨烯）并由过渡金属二硫属化物（TMDs）封装，通过近邻效应诱导强自旋-轨道耦合。
• 采用自洽Hartree-Fock数值方法模拟关联电子相，并分析外场作用下的自旋/谷极化。
• 利用贝里曲率和单粒子波函数分析轨道磁化和谷g因子，以量化磁响应。
• 采用2Nℓ带紧束缚哈密顿量建模系统，并计算磁化随位移场和化学势的变化。
• 利用自旋-谷锁定效应实现自旋和谷极化的耦合，从而实现同步切换。
• 利用轨道磁化在位移场反转下的奇对称性，实现同位旋态的非互易切换。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不依赖摩尔超晶格的情况下，实现石墨烯多层结构中自旋和谷极化的电控切换？
• RQ2 上下TMD层的相对取向如何影响同位旋切换的选择性？
• RQ3 栅电压能否控制不同自旋-谷极化相之间的简并能级分裂？
• RQ4 近邻诱导的自旋-轨道耦合在实现自旋自由度电控中起什么作用？
• RQ5 在关联的石墨烯-TMD异质结构中，轨道磁化如何依赖于位移场和化学势？

主要发现

• 由于轨道磁化在位移场反转下具有奇对称性，反转垂直位移场可同时翻转谷极化和自旋极化。
• 谷g因子由公式 $ g_v = \frac{N_\ell e}{2\pi|n|\hbar\mu_B} \left[ u_D - |\mu| \text{sgn}(u_D) \right] $ 给出，显示出对位移场和掺杂的强烈依赖性。
• 自旋-轨道耦合劈裂了时间反演相关的自旋-谷态简并，使得可通过栅电压实现选择性切换。
• 数值Hartree-Fock计算证实，轨道磁化随位移场增加而减小，与解析预测一致。
• 当存在强电子关联效应且载流子密度较低时，该系统可支持鲁棒的自旋极化和谷极化铁磁相。
• 上下TMD层的相对取向可实现对哪种同位旋类型（自旋或谷）被切换的选择性控制，从而实现多模式控制。