Nature Communications-石墨烯自旋周期各向异性减弱

对于石墨烯和自旋电子群体，最具吸引人的一个问题是在石墨烯中识别自旋弛豫的主要显微过程。传统的弛豫机制应用到单层石墨烯时获得的结果比较矛盾。近日，发表在Nature Communications上的一篇文章指出，石墨烯中自旋极化各向异性所具有的自旋周期，将有望产生解决上述问题的有价值信息。

文章论证了石墨烯中自旋周期各向异性的测量，并鉴于当前的理论知识对它们进行了讨论，通过使用一种基于斜自旋进动的新方法确定了各向异性。相比之前使用的方法，这种新方法不需要大平面外磁场，因此对低或者高载体密度来说，其都是可靠的。

为了能够使自旋周期向理论极限发展，并找到控制自旋寿命的方法，控制沉积吸附原子的数量来测量特定基板自旋弛豫各向异性就变得至关重要。这也是最终开发依赖于石墨烯出现自旋基信息处理协议新方法的路径。

【文献导读】

图1 自旋进动和自旋周期各向异性测量原理

（a）传统自旋进动实验，磁场B⊥垂直于施加于石墨烯平面（紫色箭头）。充电电流（黑色直箭头）通过一个铁磁电极（F1）注入与磁场方向平行的自旋，其沿喷射器电极易磁化轴（即长轴）固定；当朝探测器电极（F2）扩散时，注入的自旋（红箭头）在磁场B⊥周围经历拉莫尔进动；进动角φ随磁场强度B⊥变化而变化，如此调制在F2检测到的信号；在这种情况下，进动仅在石墨烯平面进行，也仅仅对平行弛豫时间敏感（见插图）。

（b）斜自旋进动实验示意图。场强B施加在含有铁磁电极易磁化轴的平面，其垂直于基底；对于一个斜场，即 β≠0,90°（见插图），当它们朝F2扩散时，自旋进度偏离平面，在这种情况下，有效自旋周期对平行或者垂直自旋生命周期τ_sll、τ_s⊥都比较敏感，自旋弛豫各向异性可以通过实验获得。

图2 设备示意图和自旋传输

（a）非局部自旋设备几何侧面示意图展示了两个外部正常金属电极（E1，E4），内部铁磁注射器（E2）和探测器（E3）电极；非局部装置显示的连接线，在E1和E2之间里面通有电流I，在E3和E4之间所测得非局部电压为V_nl；用来测量的非局部设备也已光学图像的方式呈现出来，L=11um。

（b）标准化的石墨烯方块电阻R_sq与磁场B的关系，V_g-V_CNP=2.5，42.5，22.5V（从顶端到底端）；对于V_g-V_CNP，磁阻最大。

（c）非局部电阻R_nl≡V_nl/I，其为在栅压Vg下扫过施加在平面上磁场B的函数，比如V_g-V_CNP=-25V，其中V_CNP为电中性区域点（CNP）的位置电压，T=300K，I=10uA。

图3 垂直磁场下的自旋进动

（a）非局部电阻变化量为栅压Vg的函数，；图中显示的为从R_nl中分出的与在平面上测得的磁场之间的关系，其反映了当铁磁电极的相对磁化方向由平行（↑↑）转变到反平行（↓↑）时的信号变化。

（b）传统的自旋进动测量使用垂直磁场B⊥上（空心符号）下（实心符号）扫过，完整的自旋移相发生在磁场强度大于B_d（~0.1T）。

（c）平面自旋弛豫时间τ_sll，自旋扩散系数Ds，以及自旋弛豫长度的关系为，由图（b）中自选进度测量获得。

图4 斜磁场下测量自旋进动

（a）实验自旋进动曲线，β=30°，45°，60°，75°，90°，其中T=300K，V_g-V_CNP=-17.5V，注射器电流I=10uA，平行电极装置；水平虚线为B=0时，非局部电阻R_nl，其对应平行装置下β=0°时的R_nl。

（b）在固定磁场强度B=175mT>B_d，角度与R_nl的关系由V_g体现出来。

磁场强度在图（a）中以垂直虚线示出，V_g-V_CNP=47.5，37.5，17.5，7.5V。

图5 自旋周期各向异性比率 ζ

（a）将图4（b）中的数据标准化为1，作为cos2β*，其中β*=β-γ（β, B），对于指示值ζ，灰色线代表Rβnl，黑色直线对应ζ=1.

（b）分离出的各向异性比率 ζ 为T=300K（实的圆圈）和T=150K（空方框）时电压V_g的函数；

图（a）,（b）中的蓝色实线表示对于平面自旋轨道场期望值 ζ=0.5，灰色区域表示0.9<ζ<1.03，误差线对应图（a）中拟合平均值的标准误差，误差主要来源于测量的噪音，λ_s||，β，γ传播的不确定性对于 ζ 中的误差产生了边际贡献。所有呈现的结果均来自同一个试样。

论文链接：Determination of the spin-lifetime anisotropy in graphene using oblique spin precession

新闻网址：Spin lifetime anisotropy of graphene is much weaker than previously reported

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