泛的基于自旋的效應，在凝聚態(tài)物理中發(fā)揮著基礎作用[1-3]。石墨烯中較長的自旋擴散長度使其成為自旋傳輸?shù)睦硐肫脚_，但其固有的弱SOC限制了直接的自旋操控[4]。現(xiàn)在，Juan Sierra及其同事在《自然·材料》上報道了由PdSe2鄰近效應誘導的石墨烯中高度各向異性的面內(nèi)自旋動力學[5]。他們證明，具有特殊面內(nèi)各向異性的五邊形PdSe2誘導出柵極可調(diào)的SOC，從而在室溫下實現(xiàn)了石墨烯中自旋壽命的十倍調(diào)制。
鄰近效應允許材料在不直接化學修飾的情況下繼承相鄰層的特性[6]。在二維范德瓦爾斯異質(zhì)結構中，由于原子尺度的相互作用，這些效應可能變得特別顯著，從而能夠以塊體材料無法實現(xiàn)的方式探索SOC和磁性[7]。最先進的石墨烯自旋電子器件通常利用2H過渡金屬二硫屬化物（TMDCs）的鄰近誘導SOC[8]。這些材料引入了谷-塞曼型和Rashba型SOC，但由于其C3對稱性保持了面內(nèi)各向同性，從而限制了對自旋弛豫的控制。相比之下，五邊形層狀材料PdSe2缺乏這種對稱性，導致石墨烯中出現(xiàn)強烈的面內(nèi)各向異性SOC[9]。
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圖1 | 用于各向異性自旋輸運的石墨烯-PdSe2異質(zhì)結構
示意圖顯示單層石墨烯自旋通道（黑色蜂窩晶格）與五邊形結構PdSe2（藍黃原子結構）的界面，該界面誘導出各向異性自旋-軌道耦合（SOC）。器件包含四個鐵磁電極（F1–F4；棕色）和兩個普通金屬接觸電極（深藍色）。自旋極化電流I從F1注入，通過石墨烯擴散后在F2檢測，同時通過測量非局部電壓Vnl來探測自旋弛豫。該裝置可用于研究鄰近效應調(diào)控的石墨烯中柵壓可調(diào)的各向異性自旋動力學。（根據(jù)文獻5改編，Springer Nature Limited授權）。
圖示解析
1、異質(zhì)結結構特性
*五邊形PdSe2：其低對稱性界面破壞石墨烯的六方對稱性，導致SOC呈現(xiàn)方向依賴性（71°自旋極化）。
*鄰近效應：PdSe2通過界面耦合將強SOC傳遞給石墨烯，無需化學摻雜即實現(xiàn)自旋調(diào)控。
2、測量方法設計
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測量方法設計組件 |
功能 |
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鐵磁電極F1-F4 |
注入/檢測自旋極化電流，通過電極間距控制自旋擴散長度測量 |
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非局部電壓Vnl |
消除電荷流干擾，純化自旋信號（ΔVnl∝自旋積累衰減） |
3、科學價值
· *首次在二維異質(zhì)結中實現(xiàn)柵壓調(diào)控的自旋各向異性，為開發(fā)低功耗自旋器件提供新平臺。
· *通過非局部測量驗證了界面對稱性破缺對自旋弛豫的主導作用（與傳統(tǒng)體材料機制不同）。
石墨烯-PdSe2界面存在71°方向的持久自旋紋理，其與晶軸的非對齊性揭示了對稱性破缺對自旋弛豫的主導作用。扭曲角導致的任意自旋取向使傳統(tǒng)對稱性理論失效，需開發(fā)新計算方法。科學突破鄰近效應調(diào)控：通過界面耦合實現(xiàn)自旋-軌道耦合強度可調(diào)，為自旋電子器件設計提供新途徑拓撲關聯(lián)：觀測到的自旋紋理與1T′-MoTe2/WTe2拓撲絕緣體預測相似，暗示可通過鄰近效應間接利用PdSe2拓撲特性應用前景重點開發(fā)：多扭轉角實驗與理論聯(lián)合研究應變/柵壓調(diào)控自旋壽命技術基于鄰近效應的拓撲量子材料設計。
文獻創(chuàng)新點總結
1、界面對稱性破缺的實證創(chuàng)新
首次在石墨烯-PdSe2異質(zhì)結構中實驗觀測到71°方向的持久自旋紋理，通過其與晶軸的非對齊性，揭示了二維材料界面對稱性破缺主導自旋弛豫的新機制（傳統(tǒng)理論僅關注體材料對稱性）。
2、鄰近效應調(diào)控范式的拓展
提出通過扭曲角調(diào)控界面耦合強度的方法，實現(xiàn)石墨烯自旋-軌道耦合（SOC）的連續(xù)可調(diào)，突破了傳統(tǒng)依賴材料本征SOC的限制，為人工設計自旋特性提供新工具。
3、拓撲物理的間接觀測路徑
發(fā)現(xiàn)石墨烯中的自旋紋理可間接反映PdSe2的拓撲特性（類比1T′-MoTe2/WTe2），繞過直接占據(jù)高能拓撲態(tài)的難題，為研究難以探測的拓撲材料開辟替代方案。
4、低對稱性體系的研究方法創(chuàng)新
針對界面低對稱性和大單胞特性，開發(fā)了結合多扭轉角實驗與改進DFT計算的研究框架，為類似復雜異質(zhì)結構的分析建立范式。https://doi.org/10.1038/s41563-025-02231-9
轉自《石墨烯研究》公眾號
