[论文解读] Spin inversion in graphene spin valves by gate-tunable magnetic proximity effect at one-dimensional contacts

Jinsong Xu, Simranjeet Singh+5 more|RePEc: Research Papers in Economics|Feb 21, 2018

Graphene research and applications被引用 7

一句话总结

本研究通过一维铁磁边缘接触实现了封装石墨烯自旋阀中门控可调的自旋反转。通过背栅电场调控费米能级，磁近邻效应在石墨烯中诱导出可调的自旋极化，从而在无外加磁场或自旋极化电流的情况下实现高阻态与低阻态之间的可逆切换，为低功耗自旋电子器件及拓扑量子态提供了新途径。

ABSTRACT

Graphene has remarkable opportunities for spintronics due to its high mobility and long spin diffusion length, especially when encapsulated in hexagonal boron nitride (h-BN). Here, for the first time, we demonstrate gate-tunable spin transport in such encapsulated graphene-based spin valves with one-dimensional (1D) ferromagnetic edge contacts. An electrostatic backgate tunes the Fermi level of graphene to probe different energy levels of the spin-polarized density of states (DOS) of the 1D ferromagnetic contact, which interact through a magnetic proximity effect (MPE) that induces ferromagnetism in graphene. In contrast to conventional spin valves, where switching between high- and low-resistance configuration requires magnetization reversal by an applied magnetic field or a high-density spin-polarized current, we provide an alternative path with the gate-controlled spin inversion in graphene. The resulting tunable MPE employing a simple ferromagnetic metal holds promise for spintronic devices and to realize exotic topological states, from quantum spin Hall and quantum anomalous Hall effects, to Majorana fermions and skyrmions.

研究动机与目标

• 实现基于石墨烯的自旋阀中可门控的自旋输运，以实现高自旋相干性。
• 克服传统自旋阀需依赖外加磁场或高电流密度才能实现电阻切换的局限性。
• 利用一维铁磁接触处的磁近邻效应，在石墨烯中诱导可调的自旋极化。
• 展示一种新型自旋电子开关机制，通过静电门控替代磁场或自旋电流。
• 探索该系统在实现如量子自旋霍尔效应和马约拉纳费米子等奇异拓扑态方面的潜力。

提出的方法

• 采用六方氮化硼（h-BN）封装石墨烯，以保持其高迁移率和长自旋扩散长度。
• 在石墨烯上制备一维铁磁边缘接触，以实现强磁近邻效应（MPE）。
• 施加静电背栅以调控石墨烯中的费米能级，并探测MPE界面处自旋极化态密度（DOS）不同能量级的行为。
• 测量非局域自旋输运，以检测自旋积累及电阻随门电压的变化。
• 利用门电压控制MPE诱导的自旋极化强度与符号，实现自旋反转。
• 分析不同门电压下系统的行为，证明高阻态与低阻态之间的可逆切换。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过一维铁磁接触处的磁近邻效应，利用门电压调控石墨烯中的自旋极化？
• RQ2 是否可在无外加磁场或高密度自旋电流的条件下实现石墨烯中的自旋反转？
• RQ3 调节费米能级如何影响具有1D接触的石墨烯基自旋阀中的自旋输运特性？
• RQ4 一维界面处的磁近邻效应在多大程度上可实现封装石墨烯中可调的自旋极化？
• RQ5 该系统能否作为实现如量子反常霍尔效应或马约拉纳费米子等拓扑自旋电子态的平台？

主要发现

• 本研究通过费米能级的静电调控，在石墨烯中实现了可逆的自旋反转，实现了无外加磁场下高阻态与低阻态之间的切换。
• 门控可调的磁近邻效应实现了对石墨烯中自旋极化态密度（DOS）不同能量级的自旋极化控制。
• 观察到非局域电阻随门电压的清晰调制，证实了可调的自旋输运。
• 由于h-BN封装，系统保持了高自旋相干性，实现了微米尺度距离上的稳定自旋输运。
• 观测到的自旋反转效应源于一维铁磁接触与石墨烯可调电子结构之间的相互作用。
• 结果表明，该体系为低功耗自旋电子器件的实现以及二维材料中奇异拓扑态的工程化提供了可行路径。