【研究背景】

自旋電子學是一門探索電子自旋特性的新興領域，其潛在應用包括信息存儲和處理。磁近鄰效應是自旋電子學中的一個重要領域，它可以通過將磁性材料與非磁性材料接觸，誘導非磁性材料中的自旋極化。石墨烯作為一種單層碳原子排列而成的二維材料，由于其獨特的電子結構和運輸性質，已成為自旋電子學研究的熱點。

然而，現(xiàn)有的石墨烯在自旋極化方面存在著挑戰(zhàn)，主要是由于其缺乏磁性以及無法通過電場控制自旋極化的能力。在這個背景下，一些科學家提出了利用磁近鄰效應在石墨烯中誘導自旋極化的方法。他們通過將石墨烯與具有磁性的材料接觸，利用交換效應在石墨烯中引入自旋極化。

本研究中，荷蘭格羅寧根大學Boxuan Yang、Maxen Cosset-Chéneau教授團隊將石墨烯與van der Waals反鐵磁體CrSBr接口化，從而實現(xiàn)了石墨烯中自旋極化的電靜態(tài)調控。他們通過測量磁輸運和提取交換能量偏移，證明了在石墨烯中的自旋極化可以在零磁場下通過電場調控。這一發(fā)現(xiàn)為石墨烯在自旋電子學中的應用提供了新的可能性，為設計新型自旋電子學器件提供了新的思路。以上成果在Nature Communications發(fā)題為“Electrostatically controlled spin polarization in Graphene-CrSBr magnetic proximity heterostructures”研究成果。

【圖文解讀】

1）本實驗首次展示了通過與van der Waals反鐵磁體CrSBr接觸，石墨烯表現(xiàn)出的非常規(guī)量子霍爾效應現(xiàn)象。這一現(xiàn)象可以歸因于自旋相關的交換位移在石墨烯中誘導的反向自旋極化的邊通道。通過這一實驗，作者得到了石墨烯與CrSBr界面的磁近鄰效應的獨特表現(xiàn)。

2）實驗中，作者從高場磁輸運測量中提取了石墨烯帶結構的交換能量偏移。作者發(fā)現(xiàn)，這種交換位移導致了石墨烯朗道能級的能譜發(fā)生變化，從而在量子霍爾效應（QHE）區(qū)域中出現(xiàn)了反向自旋極化的電子和空穴邊通道。通過建立自旋極化的QHE邊通道的自洽模型，作者進一步確定了交換位移的具體數(shù)值。

實驗結果顯示，石墨烯中的交換位移范圍在27-32 meV之間，并且還產(chǎn)生了一個在零磁場下從-50%到+69%范圍內(nèi)可調的電靜態(tài)自旋極化。這一發(fā)現(xiàn)為石墨烯作為自旋電子學器件的應用提供了重要的基礎。通過調節(jié)費米能量，作者實現(xiàn)了對自旋極化的電靜態(tài)控制，為門可調自旋閥器件的開發(fā)提供了新的可能性。

圖1：器件結構。

圖2：磁輸運測量。

圖3：在鄰近磁化的石墨烯中的交換位移態(tài)密度、朗道能級和逆流邊通道。

圖4：模型預測與輸運測量的比較。

圖5.根據(jù)門電壓的變化提取載流子密度的自旋極化。

圖6：提議的由鄰近磁化的石墨烯制成的電靜態(tài)控制的隧道結。

【結論展望】

本文揭示了磁近鄰效應對石墨烯自旋極化的調控，并展示了石墨烯作為自旋電子學器件中的潛在應用。通過將石墨烯與van der Waals反鐵磁體接觸，研究人員發(fā)現(xiàn)了自旋極化在零磁場下的電靜態(tài)可調性，并實現(xiàn)了自旋電流的電靜態(tài)控制。這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)更靈活、更高效的自旋電子學器件提供了新思路，如門控自旋閥和自旋過濾器。

此外，本文還預測了鄰近磁化的石墨烯具有平衡磁化，可通過門電壓進行調節(jié)，從而為磁性自旋電子學器件的設計提供了新的可能性。這項研究不僅豐富了對石墨烯物理特性的認識，還為實現(xiàn)自旋與電荷之間的高效轉換打下了基礎。因此，本文的發(fā)現(xiàn)對于推動自旋電子學領域的發(fā)展具有重要意義，為設計更具應用潛力的自旋電子學器件提供了新的思路和方法。