研究人员在室温下实现自旋场效应晶体管

 诸平

Sketch of a graphene-WSe₂ spin field-effect transistor. At zero backgate voltage (V_bg), the spins reverse sign when propagating through the channel. In contrast, when the V_bg is not zero, precession is reduced and the spins do not reverse sign. Credit: Ingla-Aynes et al.

据2021年9月7日物理学家组织网（phys.org）提供的消息，西班牙CIC nanoGUNE BRTA、德国雷根斯堡大学（University of Regensburg）以及西班牙巴斯克科学基金会（Basque Foundation for Science）的研究人员最近证明了双层石墨烯（bilayer graphene）在没有磁场的室温下的自旋进动。他们使用2D材料实现了自旋场效应晶体管（spin field-effect transistor），相关研究结果于2021年7月21日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站发表——Josep Ingla-Aynés, Franz Herling, Jaroslav Fabian, Luis E. Hueso, Fèlix Casanova. Electrical control of Valley-Zeeman spin-orbit-coupling-induced spin precession at room temperature. Physical Review Letters, 2021, 127: 047202. Published 21 July 2021. DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.047202. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.047202.上述图示是石墨烯-WSe₂自旋场效应晶体管草图。如果背栅电压 (zero backgate voltage，V_bg) 为零，则自旋在通过通道传播时具有相反的符号。相反，如果V_bg不为零，则进动减少且自旋符号相同。

自旋电子学（spintronics）研究的一个重要目标是在室温下利用电流相干控制电子自旋。这是特别有价值的，因为它将使许多器件的发展成为可能，包括自旋场效应晶体管。

在使用传统材料（conventional materials）的实验中，工程师和物理学家到目前为止只观察到在弹道状态下和在非常低的温度下的相干自旋进动。然而，二维(2D材料)具有独特的特性，可以提供新的控制旋钮来操纵自旋过程。

进行这项研究的研究人员通过电子邮件告诉物理学家组织网（Phys.org）：“在我们的团队中，有研究多种材料的自旋输运（spin transport）的悠久传统，比如简单金属。我们的主要目标是了解电子的自旋如何携带信息，以及这种自由度如何有助于创造具有新功能的设备。”

石墨烯是自旋弛豫长度（spin relaxation lengths）最大的材料之一。然而，操纵自旋在石墨烯上的运动是非常具有挑战性的，迄今为止只能通过外部磁场来实现，这对实际应用来说并不理想。

最近，Ingla-Aynés和他的同事一直在研究基于不同二维材料的异质结构，也被称为范德华异质结构（van der Waals heterostructures），如何在自旋电子学中发挥作用。范德华异质结构是一类基于石墨烯的二维材料，具有非化学键合层。

研究人员解释说:“我们一直在探索具有弱自旋轨道耦合（weak spin-orbit coupling）材料的结构，如石墨烯。具有弱自旋轨道耦合的材料与具有强自旋轨道耦合(trong spin-orbit coupling，如WSe₂)的材料堆叠在一起，并通过实验观察这种自旋轨道耦合实际上是如何通过邻近转移到石墨烯中的。更多的从技术上讲,实现各层之间的强相互作用,可以在石墨烯印上这样一个高效自旋-轨道耦合的痕迹，石墨烯 (作为一个有效的磁场)可以使自旋颠倒，而不需要施加一个磁场,这就是我们想要的结果。”

Ingla-Aynés和他的同事没有使用单一的材料，而是使用了两种具有不同显著特性的材料的组合。第一种材料是石墨烯，它具有弱的自旋轨道耦合和较长的自旋弛豫长度。第二种是具有强各向异性自旋轨道耦合（anisotropic spin-orbit coupling）的WSe₂。

研究人员说:“我们使用一种基于干聚合物的堆垛技术（dry polymer-based stacking technique）制备了双层石墨烯/WSe₂（bilayer graphene/WSe₂）范德华异质结构。然后，为了促进层间的接近，我们将样品退火到400℃以上。为了测量自旋传输，我们使用了铁磁电极（ferromagnetic electrodes），并结合磁场，使我们能够测量穿过石墨烯/ WSe₂通道的面内和面外自旋。”

Ingla-Aynés和他的同事们通过施加平面内电场和背栅电压，控制了他们使用的材料的自旋传输时间。这最终使自旋进动在室温下的电气控制成为可能，而不需要施加外部磁场。

研究人员说:“这个研究已经进行了几十年，并探索了许多不同的材料，但直到现在，没有一个是成功的。这一发现暗示了自旋电子学的适用性，因为我们的设备运行方式类似于长期以来备受追捧的Datta-Das自旋晶体管（Datta-Das spin transistor），自1990年首次提出以来，自旋晶体管一直是自旋电子学的目标之一。”

在他们的论文中，研究人员展示了第一个在室温下使用他们开发的自旋旋进策略的自旋场效应晶体管。今后，他们的工作可为实际实施高效率的自旋逻辑铺平道路。

研究人员说：“我们的研究也有一个基本的结果，因为它提供了关于石墨烯基范德华异质结构中自旋轨道相互作用如何影响自旋输运的有价值的信息。在我们接下来的研究中，我们计划研究其他多种二维材料的组合，这将提供与自旋自由度相关的新的物理效应。”上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

科学家创造出全电子二维自旋晶体管

Abstract

The ultimate goal of spintronics is achieving electrically controlled coherent manipulation of the electron spin at room temperature to enable devices such as spin field-effect transistors. With conventional materials, coherent spin precession has been observed in the ballistic regime and at low temperatures only. However, the strong spin anisotropy and the valley character of the electronic states in 2D materials provide unique control knobs to manipulate spin precession. Here, by manipulating the anisotropic spin-orbit coupling in bilayer graphene by the proximity effect to WSe2, we achieve coherent spin precession in the absence of an external magnetic field, even in the diffusive regime. Remarkably, the sign of the precessing spin polarization can be tuned by a back gate voltage and by a drift current. Our realization of a spin field-effect transistor at room temperature is a cornerstone for the implementation of energy efficient spin-based logic.