[论文解读] Magnetic-field tunable antiferromagnetism of vacancies in graphene nanoflakes

Matthias Droth, Guido Burkard|arXiv (Cornell University)|May 21, 2014

Graphene research and applications被引用 1

一句话总结

本研究采用包含佩尔斯相位的紧束缚模型，表明垂直磁场可调节石墨烯纳米片中两个空位处局域自旋态之间的交换耦合J。通过调控磁场，可原位将J从正值（反铁磁基态）切换至零，实现具有实验可实现的奈尔温度的磁场可调自旋电子学。

ABSTRACT

Graphene nanoflakes are interesting because electrons are naturally confined in these quasi zerodimensional structures, whereas confinement in bulk graphene would require a bandgap. Vacancies inside the graphene lattice lead to localized states and the spins of such localized states may be used for spintronics. We perform a tight-binding description of a nanoflake with two vacancies and include a perpendicular magnetic field via Peierls’ phase. The tunnel coupling strength and from it the exchange coupling between the localized states can be obtained from the energy splitting between numerically calculated bonding and antibonding energy levels. This allows us to estimate the exchange coupling J , which governs the dynamics of coupled spins. We predict the possibility of switching in-situ from J > 0 to J = 0 by tuning the magnetic field. In the former case, the ground state will be antiferromagnetic with Neel temperatures accessible by experiment.

研究动机与目标

• 研究外磁场如何影响石墨烯纳米片中空位处局域自旋之间的交换耦合。
• 探索在零维石墨烯体系中通过电学或磁学手段原位调控自旋态的潜力。
• 确定交换耦合J是否可通过外加磁场从反铁磁性（J > 0）调节至非相互作用（J = 0）。
• 评估在实验可行条件下，此类体系是否可实现可实验观测的奈尔温度，以适用于自旋电子学应用。

提出的方法

• 采用紧束缚模型研究含有两个空位的石墨烯纳米片，以描述局域电子态。
• 引入佩尔斯相位，以体现垂直磁场对原子间电子跃迁的影响。
• 从成键态与反键态之间的能级分裂中提取局域态之间的隧道耦合强度。
• 通过隧道耦合计算交换耦合J，该参数控制两体系统的自旋动力学。
• 采用哈密顿量的数值对角化方法计算能级，并提取在不同磁场下的能级分裂。
• 分析J随磁场强度的变化关系，以识别自旋耦合中的磁场可调相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 外加磁场能否调节石墨烯纳米片中两个空位诱导的局域自旋之间的交换耦合J？
• RQ2 在双空位体系中，成键态与反键态之间的能级分裂如何依赖于磁场？
• RQ3 在何种磁场强度下，交换耦合J会从J > 0（反铁磁性）转变为J = 0（非相互作用）？
• RQ4 在实验可行条件下，反铁磁基态的奈尔温度是否可实现？
• RQ5 该体系是否可用于自旋电子学应用中的原位自旋耦合开关？

主要发现

• 石墨烯纳米片中两个空位诱导的局域自旋之间的交换耦合J可通过施加垂直磁场进行调节。
• 成键态与反键态之间的能级分裂可直接反映隧道耦合强度，而该强度决定了J。
• 随着磁场增强，预测J从J > 0（反铁磁性）过渡至J = 0（非相互作用）。
• 在实际条件下，反铁磁基态的奈尔温度具有实验可实现性。
• 该体系可通过磁场控制实现原位、可逆的自旋耦合开关，为可调谐自旋量子比特提供了途径。
• 所预测的磁场可调行为源于佩尔斯相位与空位处局域电子结构之间的相互作用。