[论文解读] Gate-tunable Spin-Orbit-Coupling in Bilayer Graphene-WSe$_2$-heterostructures

Julia Amann, Tobias Völkl+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本研究通过将石墨烯机械剥离至WSe₂上，展示了双层石墨烯中可通过门电压调控的自旋-轨道耦合，实现了通过双栅结构对Rashba和本征自旋-轨道参数的电场调控。弱反局域化测量显示自旋-轨道散射显著增强或抑制，证实了层极化依赖的自旋-轨道耦合可在宽范围电场下被调控。

ABSTRACT

Spin-orbit coupling in graphene can be increased far beyond its intrinsic value by proximity coupling to a transition metal dichalcogenide. In bilayer graphene, this effect was predicted to depend on the occupancy of both graphene layers, rendering it gate-tunable by an out-of-plane electric field. We experimentally confirm this prediction by studying magnetotransport in a dual-gated WSe$_2$/bilayer graphene heterostructure. Weak antilocalization, which is characteristic for phase-coherent transport in diffusive samples with spin-orbit interaction, can be strongly enhanced or suppressed at constant carrier density, depending on the polarity of the electric field. From the spin-orbit scattering times extracted from the fits, we calculate the corresponding Rashba and intrinsic spin-orbit parameters. They show a strong dependence on the transverse electric field, which is well described by a gate-dependent layer polarization of bilayer graphene.

研究动机与目标

• 实验验证理论预测：双层石墨烯中的自旋-轨道耦合可通过垂直电场进行调控。
• 研究双层石墨烯中层特异性载流子占据如何通过与WSe₂的邻近效应调制自旋-轨道耦合。
• 测量并量化双栅异质结构中Rashba和本征自旋-轨道参数的门电压依赖演化。
• 建立横向电场、层极化与双层石墨烯中自旋-轨道散射时间之间的关联。

提出的方法

• 采用机械剥离与hBN封装技术制备双栅WSe₂/双层石墨烯异质结。
• 施加双栅电压，独立调控双层石墨烯中的载流子密度与横向电场。
• 测量磁阻抗特性，特别是作为磁场和栅压函数的弱反局域化行为。
• 通过弱反局域化数据拟合提取自旋-轨道散射时间，并推导Rashba与本征自旋-轨道耦合参数。
• 分析自旋-轨道参数对横向电场的依赖性，以确认层极化效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在WSe₂异质结中，双层石墨烯的自旋-轨道耦合能否通过垂直电场实现电控？
• RQ2 横向电场如何影响Rashba与本征自旋-轨道耦合的相对贡献？
• RQ3 双层石墨烯中的层极化在多大程度上调制了自旋-轨道散射？
• RQ4 门可调自旋-轨道耦合是否与层极化双层石墨烯的理论模型一致？

主要发现

• 在恒定载流子密度下，通过调节栅压可显著增强或抑制异质结中的弱反局域化，表明实现了对自旋-轨道耦合的电场调控。
• 提取的自旋-轨道散射时间随横向电场显著变化，证明了自旋-轨道相互作用的可调性。
• Rashba与本征自旋-轨道参数强烈依赖于栅诱导电场，与理论预测一致。
• 观测到的场依赖性可通过双层石墨烯中门调制的层极化模型良好描述。
• 结果证实，通过范德华异质结中的静电栅压可对双层石墨烯中的自旋-轨道耦合进行工程化调控。