Спин-орбитальное взаимодействие в графене

Спин-орбитальное взаимодействие (СОВ) в графене является ключевым элементом для понимания его спинтронных свойств и потенциальных применений в квантовых устройствах. Несмотря на слабое естественное СОВ в чистом графене, наличие дефектов, адсорбированных атомов и взаимодействие с подложкой способны значительно усилить эффект, что открывает возможности для манипуляции спином электронов без необходимости использования внешних магнитных полей.

Природа спин-орбитального взаимодействия в графене

СОВ возникает из релятивистской связи между спином электрона и его движением в электрическом поле атомного ядра. В графене, который представляет собой двумерную кристаллическую решетку углерода с атомами в положении sp²-гибридизации, чистое СОВ чрезвычайно мало (~10 μeV) из-за малой массы углерода и симметрии решетки.

Ключевые моменты:

  • Внутреннее СОВ (Intrinsic SOC): Обусловлено взаимодействием спина электрона с собственной орбитальной частью волновой функции, создавая слабую «щель Кейн» вблизи точек K и K’.
  • Внешнее СОВ (Rashba SOC): Возникает при нарушении симметрии относительно плоскости графена, например, при взаимодействии с подложкой или внешним электрическим полем. Этот тип СОВ может быть значительно сильнее внутреннего и приводит к спиновой зависимости энергии электронов.

Модели и описание СОВ в графене

Для анализа СОВ в графене широко применяются методы твердотельной физики и теории возмущений. Наиболее распространенная модель — модель Тайтла-Канье-Мельхайма для двухподрешетки графена.

  • Гамильтониан с внутренним СОВ:

Hintrinsic = λI∑iξiszci†ci

где λI — константа внутреннего СОВ, ξi = ±1 для подрешеток A и B, sz — спиновый оператор.

  • Гамильтониан Rashba СОВ:

HRashba = λR∑⟨i, j⟩ci†(s⃗ × d̂ij)zcj

где λR — константа Rashba СОВ, d̂ij — единичный вектор вдоль связи между атомами.

Эти два вклада формируют полную картину СОВ в графене, определяя расщепление энергетических уровней и спиновые текстуры.

Усиление СОВ через функционализацию и подложки

Хотя чистый графен обладает слабым СОВ, различные методы позволяют его значительно усилить:

  1. Адсорбция атомов с большой массой: атомы золота, индия или висмута вызывают сильное локальное СОВ за счет эффекта тяжелого ядра.
  2. Интеркалирование и гибридизация с подложкой: например, графен на подложке Ni или Pt показывает заметное увеличение Rashba СОВ.
  3. Дефекты и деформация решетки: топологические дефекты и изгибы создают локальные электрические поля, усиливающие спин-орбитальные эффекты.

Эти методы позволяют контролировать величину СОВ, что критично для разработки спинтронных устройств.

Влияние СОВ на транспортные свойства

Спин-орбитальное взаимодействие сильно влияет на транспорт электронов:

  • Спиновая релаксация: СОВ является главным механизмом спиновой релаксации в графене, определяя спиновую длину пробега (λs).
  • Квантовый спиновый Холл эффект (QSHE): внутреннее СОВ в графене может приводить к возникновению топологического спинового течения по краям образца без внешнего магнитного поля.
  • Анизотропия проводимости: Rashba СОВ создает различие в подвижности электронов с разными ориентациями спина, что можно использовать для создания спиновых фильтров.

Экспериментальные наблюдения

Современные методы наблюдения СОВ в графене включают:

  • ARPES (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy): позволяет напрямую измерить расщепление энергетических уровней, связанное с СОВ.
  • Спиновые инжекционные эксперименты: измерение спиновой проводимости через ферромагнитные контакты.
  • Сканирующая туннельная микроскопия с спиновой чувствительностью (SP-STM): обеспечивает пространственно разрешенное исследование спиновых текстур.

Эксперименты подтвердили наличие как внутреннего, так и Rashba СОВ, особенно в функционализированном и индуцированном графене.

Применение в спинтронике

СОВ в графене открывает возможности для разработки:

  • Спиновых транзисторов: управление спином через электрическое поле без магнитного поля.
  • Топологических изоляторов: создание краевых спиновых токов для квантовых вычислений.
  • Спиновых фильтров и логических устройств: селективное управление спином электронов в двумерных структурах.

Возможность электрического контроля спина делает графен перспективным материалом для следующего поколения спинтронных и квантовых устройств.

Оглавление