石墨烯中自旋和類自旋自由度的調控

《石墨烯中自旋和類自旋自由度的調控》是依託浙江師範大學，由翟峰擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：石墨烯中自旋和類自旋自由度的調控
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：翟峰
• 依託單位：浙江師範大學

項目摘要

除了通常的電荷、自旋等內稟自由度之外，石墨烯中的電子還具有谷(valley)和贗自旋兩個類自旋自由度。自旋和類自旋自由度的調控是當前石墨烯電子學研究的熱點之一。本項目以石墨烯體系的電輸運性質研究為核心，通過理論分析結合數值模擬，探索Dirac電子在局域磁場、應變場、靜電勢、自旋軌道耦合、交換劈裂場等的調製下軌道、自旋、谷、贗自旋等自由度相互競爭、相互耦合產生的新效應。從多場調製下Dirac電子的能譜、傳輸譜、電荷流的谷極化和自旋極化、界面效應、尺寸效應等方面揭示其中的規律和物理機制, 為設計開發基於石墨烯的納米電子器件和自旋電子器件提供理論依據和物理模型。研究內容包括：(1) 基於谷自由度探索與光學器件類似的電子器件(谷電子光學)；(2) 二端石墨烯器件中谷極化流的產生機制和谷自由度的磁場調控；(3) 自旋軌道耦合調製的石墨烯中自旋流的調控以及谷電子學與自旋電子學的互動。

結題摘要

二維 (類石墨烯) 材料的谷電子學、自旋電子學、等離激元、磁光譜等是凝聚態物理研究的前沿主題。一些二維材料具有半狄拉克型的能帶接觸點，在它附近的色散沿某個方向是線性的，沿與之垂直的方向是拋物的。本項目開展的研究內容包括：(1) 基於應變石墨烯塊材料的谷過濾器及自旋過濾器；(2) 基於具有狄拉克能隙的石墨烯谷過濾器；(3) 石墨烯典型輸運特性的推廣；(4) 狄拉克電子體系的等離激元。取得的主要研究結果如下。 (1) 研究了雙磁條調製的應變石墨烯體系中谷自由度的局域磁場調控，展示了該體系的兩個功能：谷過濾開關和隧穿磁電阻。發現磁超晶格調製的應變石墨烯在相當大的參數範圍內能輸出完全谷極化的電流。發現Rashba自旋軌道耦合與應變場的聯合調製不能在石墨烯中產生法向自旋極化，但能增強鐵磁石墨烯的法向自旋極化。 (2) 基於對稱性分析，探討了在具有狄拉克能隙的二端石墨烯體系中產生谷極化的必要條件。基於有能隙的石墨烯塊材料，設計了兩種穀過濾器，其運行原理涉及帶間隧穿和谷依賴的反射相位。它們產生的谷極化大小和極性都可由柵極電壓調節，並可由出射區的 Hall 電壓來探測。 (3) 將石墨烯的輸運特性 (Klein隧穿、Fano因子為1/3的散粒噪聲、pn結蛇形態) 推廣到其它體系。證明了拓撲絕緣體邊緣態或表面態的連通性，探討了二維拓撲絕緣體在非均勻磁場下的蛇形態特性。對半狄拉克點體系，發現 Fano 因子沿著線性色散方向有一個新的普適值 0.179。對磷烯及黑磷薄膜，給出了朗道能級的解析解，發現磁光躍遷存在反常的選擇定則，揭示了磷烯量子點邊緣態的新特性。 (4) 研究了二維螺旋金屬的磁等離子譜，發現隨著塞曼能和庫侖相互作用的變化，電荷密度激發和自旋密度激發在低頻區始終共存，在高頻區可以退耦合。在無規相近似下，計算了石墨烯等離激元-聲子雜合模式的色散關係。數值結果能很好擬合實驗曲線，證實了石墨烯等離激元與單層 h-BN 中 TO 聲子 (原子振動方向垂直於平面) 耦合的實驗發現。