[论文解读] Giant anisotropic spin splitting in epitaxial graphene

Isabella Gierz, J. Hugo Dil+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2010

Graphene research and applications被引用 6

一句话总结

本研究利用在SiC(0001)衬底上生长的氢插层准自由单层石墨烯的自旋和角度分辨光电子能谱（SARPES），研究外延石墨烯中的自旋分裂。结果揭示了一种对应于Rashba型自旋分裂的自旋极化信号，其Δk = (0.024 ± 0.005) Å⁻¹，显著大于传统ARPES中的谱线宽度，表明该信号可能源于π带简单Rashba分裂之外的机制。

ABSTRACT

Our recently reported spin and angular resolved photoemission (SARPES) results on an epitaxial graphene monolayer on SiC(0001) suggested the presence of a large Rashba-type spin splitting of \Delta k=(0.030+-0.005)1/A [1]. Although this value was orders of magnitude larger than predicted theoretically, it could be reconciled with the line width found in conventional spin-integrated high resolution angular resolved photoemission spectroscopy (ARPES) data. Here we present novel measurements for a hydrogen intercalated quasi free-standing graphene monolayer on SiC(0001) that reveal a spin polarization signal that - when interpreted in terms of the Rashba-Bychkov effect [2,3] - corresponds to a spin splitting of \Delta k=(0.024+-0.005)1/A. This splitting is significantly larger than the half width at half maximum of spin-integrated high resolution ARPES measurements which is a strong indication that the measured polarization signal does not originate from a Rashba-type spin splitting of the graphene pi-bands as we suggested in our previous report [1].

研究动机与目标

• 研究此前在SiC(0001)衬底上外延石墨烯中观察到的异常大自旋分裂的起源。
• 确定观测到的自旋极化信号是否源于石墨烯π带的Rashba型自旋分裂。
• 解决大自旋分裂值与传统ARPES测量中宽谱线之间的矛盾。
• 澄清自旋极化信号是石墨烯能带结构的本征性质，还是外部效应所致。

提出的方法

• 在SiC(0001)衬底上的氢插层准自由单层石墨烯上采用自旋和角度分辨光电子能谱（SARPES）。
• 测量自旋极化随动量和发射角的变化，以提取自旋分裂的大小。
• 将观测到的自旋分裂与自旋积分ARPES数据的半高全宽（HWHM）进行比较，以评估一致性。
• 在Rashba-Bychkov效应的框架下解释结果，以评估Rashba模型在石墨烯中的有效性。
• 使用先前SARPES测量中获得的参考值Δk = (0.030 ± 0.005) Å⁻¹进行对比分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在外延石墨烯中观测到的大自旋分裂信号是否源于π带的Rashba型自旋分裂？
• RQ2 测量得到的自旋分裂大小与ARPES特征的本征谱线宽度相比如何？
• RQ3 如果将观测到的自旋极化归因于Rashba分裂，能否与传统ARPES的谱线宽度相容？
• RQ4 自旋分裂与谱线宽度之间的差异对信号起源意味着什么？

主要发现

• 根据SARPES数据在Rashba-Bychkov模型下推断，氢插层石墨烯中的测量自旋分裂为Δk = (0.024 ± 0.005) Å⁻¹。
• 该自旋分裂值显著大于自旋积分ARPES测量的半高全宽，表明与典型的多体展宽不一致。
• 大自旋分裂与窄ARPES谱线宽度之间的显著差异强烈表明，自旋极化信号并非源于石墨烯π带的Rashba型分裂。
• 研究结果挑战了先前SARPES数据的初始解释，后者将该信号归因于π带中的Rashba分裂。