泛的基于自旋的效應(yīng)，在凝聚態(tài)物理中發(fā)揮著基礎(chǔ)作用[1-3]。石墨烯中較長(zhǎng)的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度使其成為自旋傳輸?shù)睦硐肫脚_(tái)，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(bào)道了由PdSe2鄰近效應(yīng)誘導(dǎo)的石墨烯中高度各向異性的面內(nèi)自旋動(dòng)力學(xué)[5]。他們證明，具有特殊面內(nèi)各向異性的五邊形PdSe2誘導(dǎo)出柵極可調(diào)的SOC，從而在室溫下實(shí)現(xiàn)了石墨烯中自旋壽命的十倍調(diào)制。
鄰近效應(yīng)允許材料在不直接化學(xué)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(jié)構(gòu)中，由于原子尺度的相互作用，這些效應(yīng)可能變得特別顯著，從而能夠以塊體材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式探索SOC和磁性[7]。最先進(jìn)的石墨烯自旋電子器件通常利用2H過(guò)渡金屬二硫?qū)倩铮═MDCs）的鄰近誘導(dǎo)SOC[8]。這些材料引入了谷-塞曼型和Rashba型SOC，但由于其C3對(duì)稱性保持了面內(nèi)各向同性，從而限制了對(duì)自旋弛豫的控制。相比之下，五邊形層狀材料PdSe2缺乏這種對(duì)稱性，導(dǎo)致石墨烯中出現(xiàn)強(qiáng)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(yùn)的石墨烯-PdSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu)PdSe2（藍(lán)黃原子結(jié)構(gòu)）的界面，該界面誘導(dǎo)出各向異性自旋-軌道耦合（SOC）。器件包含四個(gè)鐵磁電極（F1–F4；棕色）和兩個(gè)普通金屬接觸電極（深藍(lán)色）。自旋極化電流I從F1注入，通過(guò)石墨烯擴(kuò)散后在F2檢測(cè)，同時(shí)通過(guò)測(cè)量非局部電壓Vnl來(lái)探測(cè)自旋弛豫。該裝置可用于研究鄰近效應(yīng)調(diào)控的石墨烯中柵壓可調(diào)的各向異性自旋動(dòng)力學(xué)。（根據(jù)文獻(xiàn)5改編，Springer Nature Limited授權(quán)）。
圖示解析
1、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)特性
*五邊形PdSe2：其低對(duì)稱性界面破壞石墨烯的六方對(duì)稱性，導(dǎo)致SOC呈現(xiàn)方向依賴性（71°自旋極化）。
*鄰近效應(yīng)：PdSe2通過(guò)界面耦合將強(qiáng)SOC傳遞給石墨烯，無(wú)需化學(xué)摻雜即實(shí)現(xiàn)自旋調(diào)控。
2、測(cè)量方法設(shè)計(jì)
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測(cè)量方法設(shè)計(jì)組件 |
功能 |
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鐵磁電極F1-F4 |
注入/檢測(cè)自旋極化電流，通過(guò)電極間距控制自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度測(cè)量 |
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非局部電壓Vnl |
消除電荷流干擾，純化自旋信號(hào)（ΔVnl∝自旋積累衰減） |
3、科學(xué)價(jià)值
· *首次在二維異質(zhì)結(jié)中實(shí)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(tái)。
· *通過(guò)非局部測(cè)量驗(yàn)證了界面對(duì)稱性破缺對(duì)自旋弛豫的主導(dǎo)作用（與傳統(tǒng)體材料機(jī)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(duì)齊性揭示了對(duì)稱性破缺對(duì)自旋弛豫的主導(dǎo)作用。扭曲角導(dǎo)致的任意自旋取向使傳統(tǒng)對(duì)稱性理論失效，需開發(fā)新計(jì)算方法。科學(xué)突破鄰近效應(yīng)調(diào)控：通過(guò)界面耦合實(shí)現(xiàn)自旋-軌道耦合強(qiáng)度可調(diào)，為自旋電子器件設(shè)計(jì)提供新途徑拓?fù)潢P(guān)聯(lián)：觀測(cè)到的自旋紋理與1T′-MoTe2/WTe2拓?fù)浣^緣體預(yù)測(cè)相似，暗示可通過(guò)鄰近效應(yīng)間接利用PdSe2拓?fù)涮匦詰?yīng)用前景重點(diǎn)開發(fā)：多扭轉(zhuǎn)角實(shí)驗(yàn)與理論聯(lián)合研究應(yīng)變/柵壓調(diào)控自旋壽命技術(shù)基于鄰近效應(yīng)的拓?fù)淞孔硬牧显O(shè)計(jì)。
文獻(xiàn)創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)
1、界面對(duì)稱性破缺的實(shí)證創(chuàng)新
首次在石墨烯-PdSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到71°方向的持久自旋紋理，通過(guò)其與晶軸的非對(duì)齊性，揭示了二維材料界面對(duì)稱性破缺主導(dǎo)自旋弛豫的新機(jī)制（傳統(tǒng)理論僅關(guān)注體材料對(duì)稱性）。
2、鄰近效應(yīng)調(diào)控范式的拓展
提出通過(guò)扭曲角調(diào)控界面耦合強(qiáng)度的方法，實(shí)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(shè)計(jì)自旋特性提供新工具。
3、拓?fù)湮锢淼拈g接觀測(cè)路徑
發(fā)現(xiàn)石墨烯中的自旋紋理可間接反映PdSe2的拓?fù)涮匦裕惐?T′-MoTe2/WTe2），繞過(guò)直接占據(jù)高能拓?fù)鋺B(tài)的難題，為研究難以探測(cè)的拓?fù)洳牧祥_辟替代方案。
4、低對(duì)稱性體系的研究方法創(chuàng)新
針對(duì)界面低對(duì)稱性和大單胞特性，開發(fā)了結(jié)合多扭轉(zhuǎn)角實(shí)驗(yàn)與改進(jìn)DFT計(jì)算的研究框架，為類似復(fù)雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析建立范式。https://doi.org/10.1038/s41563-025-02231-9
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
