KAIST 物理学家描述了一种使用非磁性二维材料设计节能的自旋电流产生、操纵和检测的途径。由 Sungjae Cho 教授领导的研究小组通过石墨烯异质结构中的栅极可调谐 Rashba-Edelstein 效应 (REE) 观察到高效的电荷-自旋相互转换。

这项研究为石墨烯作为一种有源自旋电子元件的应用铺平了道路，用于在没有铁磁电极或磁场的情况下产生、控制和检测自旋电流。

由于自旋扩散长度长，石墨烯是一种很有前途的自旋电子元件。然而，其小的自旋轨道耦合限制了石墨烯在自旋电子应用中的潜力，因为石墨烯不能用于产生、控制或检测自旋电流。

“我们通过将石墨烯堆叠在 2H-TaS 2之上，成功地增加了石墨烯的自旋轨道耦合，2H-TaS 2是具有最大自旋轨道耦合的过渡金属二硫属化物材料之一。石墨烯现在可用于生成、控制和检测自旋电流，”Cho教授说。

Rashba-Edelstein 效应是一种物理机制，通过 Rashba 效应诱导的自旋相关带结构实现电荷电流到自旋电流的相互转换，Rashba 效应是低维凝聚态系统中自旋带的动量相关分裂。

Cho 教授的团队首次在多层石墨烯中展示了栅极可调的 Rashba-Edelstein 效应。Rahsba-Edelstein 效应允许石墨烯的二维传导电子被施加的充电电流磁化并形成自旋电流。此外，随着由栅极电压调节的石墨烯的费米能级从价带移动到导带，石墨烯产生的自旋电流反转其自旋方向。

这种自旋反转在利用自旋的低功耗晶体管设计中很有用，因为它提供了带有自旋向上空穴(或自旋向下电子)的载流子“开”状态和具有零净自旋极化的“关”状态。称为“电荷中性点”，其中电子和空穴的数量相等。

“我们的工作是首次证明金属 TMD(过渡金属二硫属化物)和石墨烯异质结构中的电荷-自旋相互转换，其自旋极化状态由栅极控制。我们预计全电自旋开关效应和通过施加栅极电压逆转非平衡自旋极化适用于使用非磁性范德瓦尔斯材料高效产生和操纵自旋电流，”Cho 教授解释说。

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