Спиновые свойства графена

Графен, однослойный углеродный материал с решеткой типа «шестиугольная решетка», обладает уникальными электронными свойствами, которые делают его перспективным для спинтроники. Электроны в графене описываются уравнением Дирака для двухмерных фермионов с нулевой массой, что приводит к линейной зависимости энергии от импульса. В контексте спинтроники ключевое значение имеет спин электрона, а также его взаимодействие с орбитальным движением — спин–орбитальное взаимодействие (SOI).

В графене SOI является слабым по сравнению с тяжёлыми полупроводниками, такими как InSb или HgTe, что объясняется малым атомным номером углерода. Это создаёт условия для высокой спиновой когерентности и длительного времени жизни спина, что критически важно для реализации спиновых транзисторов и квантовых битов.

Спиновое время жизни и спиновая когерентность

Спиновое время жизни (τs) в графене достигает значений от нескольких наносекунд до микросекунд при низких температурах. Основными механизмами релаксации спина являются:

  • Механизм Элиотта–Яффе (Elliott–Yafet, EY): спиновая релаксация возникает из-за рассеяния на дефектах и фононах, когда орбитальная компонента состояния смешивается с спином.
  • Механизм Д’якона–Переля (D’yakonov–Perel, DP): актуален при асимметричной подложке или при внесении сильного SOI; спин претерпевает прецессию между столкновениями с дефектами.

В чистом графене при отсутствии внешних возмущений преобладает механизм EY, что обеспечивает чрезвычайно высокую спиновую когерентность.

Влияние спин–орбитального взаимодействия

SOI в графене может быть индуцировано различными способами:

  1. Химическое донирование и адсорбция атомов тяжёлых элементов (например, золото или индий) увеличивает локальное SOI.
  2. Внешние электрические поля и гетероструктуры типа графен–BN–тяжёлый металл индуцируют Rashba SOI, что позволяет управлять спиновыми токами электрическим образом.

Rashba SOI приводит к спин–моменто-ориентированной разбивке зон и создает возможности для создания спиновых фильтров и спиновых транзисторов с управлением током без магнитного поля.

Спиновые токи в графене

Графен способен поддерживать как непосредственные (injection) спиновые токи, так и индуцированные токи через эффект спин–Холла (Spin Hall effect, SHE).

  • Эффект спин–Холла: движение электронов приводит к накоплению спина на противоположных границах образца без использования внешнего магнитного поля.
  • Обратный эффект спин–Холла: позволяет преобразовывать спиновые токи обратно в электрические сигналы, что критично для детекторов спина.

Экспериментально наблюдаются спиновые диффузионные длины (λs) порядка нескольких микрометров при комнатной температуре, что открывает перспективы интеграции графена в спинтронные схемы.

Влияние дефектов и границ кристаллов

Дефекты решетки, вакансии и границы графена существенно влияют на спиновые свойства:

  • Вакансии и атомные замещения усиливают спин–орбитальное взаимодействие локально и могут создавать магнитные моменты, которые служат центрами спиновой релаксации.
  • Границы зерен создают рассеяние с изменением спина и снижают когерентность.
  • Структурные деформации (стрейн) могут индуцировать псевдополя, влияющие на динамику спина.

Контроль качества графена и его гетероструктур является ключевым фактором для достижения максимальной спиновой когерентности.

Гетероструктуры графена для спинтроники

Комбинирование графена с другими 2D-материалами позволяет создавать искусственно управляемое спин–орбитальное взаимодействие:

  • Графен/BN (борнитрид): минимизирует дефектные рассеяния и сохраняет длительное время жизни спина.
  • Графен/TMD (transition metal dichalcogenides): индуцируют сильное SOI через proximity-эффект, что позволяет реализовать спиновые фильтры и спиновые клапаны.
  • Графен/тяжёлые металлы: создают системы для электрического управления спином через Rashba SOI и SHE.

Эти гетероструктуры открывают путь к интеграции спинтронных элементов в масштабируемые логические схемы и квантовые устройства.

Методы измерения спиновых характеристик

  1. Non-local спиновые измерения: позволяют регистрировать спиновые токи и спиновые напряжения на микрометровых масштабах.
  2. Оптическая спектроскопия (Kerr/Faraday rotation): регистрирует прецессию спина и динамику его релаксации.
  3. Электрическое введение спина через ферромагнитные контакты: используется для изучения инжекции и детекции спинового тока в графене.

Эти методы дают детальную информацию о спиновой диффузии, времени жизни и эффективном SOI, что необходимо для разработки функциональных спинтронных устройств.

Оглавление