[论文解读] Layer- and Gate-tunable Spin-Orbit Coupling in a High Mobility Few-Layer Semiconductor

Dmitry Shcherbakov, Petr Stepanov+15 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2020

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 32被引用 4

一句话总结

本研究展示了在少层InSe中电场与厚度可调的自旋-轨道耦合（SOC），通过垂直栅压实现从0到20 meV的本征自旋分裂连续调制。SOC参数α具有厚度依赖性，可增强一个数量级，为二维半导体中的自旋电子学与拓扑器件应用提供了前所未有的调控能力。

ABSTRACT

Spin-orbit coupling (SOC) is a relativistic effect, where an electron moving in an electric field experiences an effective magnetic field in its rest frame. In crystals without inversion symmetry, it lifts the spin degeneracy and leads to many magnetic, spintronic and topological phenomena and applications. In bulk materials, SOC strength is a constant that cannot be modified. Here we demonstrate SOC and intrinsic spin-splitting in atomically thin InSe, which can be modified over an unprecedentedly large range. From quantum oscillations, we establish that the SOC parameter αis thickness-dependent; it can be continuously modulated over a wide range by an out-of-plane electric field, achieving intrinsic spin splitting tunable between 0 and 20 meV. Surprisingly, αcould be enhanced by an order of magnitude in some devices, suggesting that SOC can be further manipulated. Our work highlights the extraordinary tunability of SOC in 2D materials, which can be harnessed for in operando spintronic and topological devices and applications.

研究动机与目标

• 探索原子级薄InSe中自旋-轨道耦合（SOC）的可调性，其为高迁移率二维半导体。
• 研究SOC强度是否可通过外加栅极电场实现电调控。
• 确定SOC对层数和外加电场的依赖关系。
• 确定少层InSe中本征自旋分裂可调范围及其机制。
• 通过SOC工程评估InSe在原位自旋电子学与拓扑应用中的潜力。

提出的方法

• 从高迁移率少层InSe器件中的量子振荡测量中提取自旋-轨道耦合参数α。
• 通过背栅施加垂直电场，连续调节SOC强度。
• 通过机械剥离控制层数，研究厚度依赖的SOC行为。
• 利用磁阻测量分辨自旋分裂能级并提取α参数。
• 将实验数据与理论模型对比，确认可调性的来源。
• 识别出SOC增强达一个数量级的器件，表明存在超越平均趋势的额外调控机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过栅压对少层InSe中的自旋-轨道耦合进行电调控？
• RQ2 InSe中自旋-轨道耦合参数α如何随层数变化？
• RQ3 通过栅控在InSe中可实现的最大本征自旋分裂范围是多少？
• RQ4 为何在厚度和栅压条件相似的情况下，某些器件中SOC出现一个数量级的增强？
• RQ5 在二维材料中，SOC在实际自旋电子学与拓扑应用中可被工程调控到何种程度？

主要发现

• 少层InSe中的自旋-轨道耦合参数α具有厚度依赖性，在不同层数间表现出可测量的变化。
• 垂直栅压可实现本征自旋分裂从0到20 meV的连续调制。
• 在特定器件中，SOC强度可增强一个数量级，表明其具有强局域可调性，超越平均趋势。
• 量子振荡测量证实了自旋分裂的存在，并可精确提取α参数。
• 所观测到的可调性超过体材料，展示了在二维半导体中新的调控程度。
• 结果凸显了InSe作为动态可重构自旋电子学与拓扑器件平台的潜力。