自旋电子学异质结构的分析表明两种所需的量子物理效应如何相互加强

自旋电子学利用电子自旋进行逻辑运算或存储信息。理想情况下，自旋电子器件可以比传统半导体器件运行得更快、更节能。然而，在材料中创建和操纵自旋纹理仍然很困难。

石墨烯是一种由碳原子构成的二维蜂窝结构，被认为是自旋电子应用的有趣候选材料。石墨烯通常沉积在重金属薄膜上。

在石墨烯和重金属的界面处，会产生强烈的自旋轨道耦合，从而产生不同的量子效应，包括能级的自旋轨道分裂(Rashba效应)和自旋排列的倾斜(Dzyaloshinskii-Moriya相互作用)。自旋倾斜效应对于稳定涡旋状自旋纹理(称为skyrmion)尤其必要，这种纹理特别适用于自旋电子学。

然而，现在，西班牙-德国团队已经证明，当在石墨烯和重金属(这里是铱)之间插入几层铁磁元素钴单层时，这些效果会显著增强。样品是在绝缘基板上生长的，这是利用这些效应实现多功能自旋电子器件的必要先决条件。

该研究发表在《ANano》杂志上。

“在BESSYII中，我们分析了石墨烯、钴和铱界面的电子结构，”HZB物理学家JaimeSánchez-Barriga博士说道。最重要的发现是：与预期相反，石墨烯不仅与钴相互作用，而且还通过钴与铱相互作用。

Sánchez-Barriga解释道：“石墨烯和重金属铱之间的相互作用是由铁磁钴层介导的。”铁磁层增强了能级的分裂。

Sanchez-Barriga说道：“我们可以通过钴单层的数量来影响自旋倾斜效应;三层单层是最好的。”

这一结果不仅得到了实验数据的支持，也得到了密度泛函理论新计算的支持。两种量子效应相互影响、相互加强，这一事实是新的、意想不到的。

“我们之所以能够获得这些新见解，是因为BESSYII提供了极其灵敏的仪器，可以测量具有自旋分辨率(Spin-ARPES)的光发射。这导致了幸运的情况，我们可以非常精确地确定自旋倾斜的假定起源，即Rashba型自旋轨道分裂，甚至可能比自旋倾斜本身更精确，”HZB“量子材料中的自旋和拓扑”部门负责人OliverRader教授强调说。

全球只有极少数机构拥有具备此类能力的仪器。结果表明，基于石墨烯的异质结构在下一代自旋电子器件中具有巨大潜力。

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