研究背景
范德華異質結構提供了一個多功能平臺，可以通過近鄰效應調控電、磁、光和自旋輸運特性。六方過渡金屬二硫族化合物在石墨烯中誘導谷Zeeman自旋–軌道耦合，導致面內和面外自旋取向之間的自旋壽命各向異性。然而，由于異質結構固有的三重對稱性，面內自旋壽命仍然保持各向同性。鑒于此，西班牙巴塞羅那自治大學 Juan F. Sierra, Josef Světlík，Sergio O. Valenzuela等研究員合作在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Room-temperature anisotropic in-plane spin dynamics in graphene induced by PdSe2 proximity”的最新論文。在本研究中，他們證明了具有獨特面內各向異性的五邊形PdSe?能夠在石墨烯中誘導各向異性且可通過柵極調控的自旋–軌道耦合。這使得面內自旋壽命在室溫下可實現高達十倍的調制，具體取決于面內自旋的取向。此外，自旋壽命在三個空間方向上的方向依賴性揭示了一個持久的面內自旋紋理分量，該分量主導了自旋動力學。這些發現深化了研究者對范德華異質結構中自旋物理的理解，并為在強自旋–軌道耦合條件下設計基于石墨烯的拓撲相提供了新的可能性。
研究亮點
1）實驗首次在石墨烯-PdSe?異質結構中實現了自旋輸運的各向異性調控，得到了自旋壽命在面內自旋取向下的顯著調節。2）實驗通過將具有獨特面內各向異性的五邊形PdSe?與石墨烯結合，誘導了可調的自旋-軌道耦合（SOC），實現了在室溫下自旋壽命的十倍變化。實驗結果表明，自旋壽命的調節依賴于面內自旋取向，這為高效的自旋輸運和自旋動力學提供了新的途徑。3）實驗通過對三個空間方向自旋壽命的方向性依賴性分析，發現自旋壽命表現出明顯的面內自旋紋理分量，這一分量主導了自旋動力學行為，揭示了在強自旋-軌道耦合下，石墨烯基異質結構中自旋物理的新特性。
圖文解讀
圖2:單層石墨烯-PdSe2中，自旋弛豫各向異性。圖4:單層石墨烯-PdSe2，低溫轉移特性和自旋弛豫各向異性。
結論展望
本文通過引入具有獨特面內各向異性的PdSe?，研究者成功地調控了石墨烯中的自旋-軌道耦合（SOC），并觀察到了自旋壽命的顯著各向異性。這一現象不僅證明了不同晶體對稱性材料之間的近鄰效應可以有效調控自旋動力學，還揭示了自旋紋理的持久性特征，對自旋輸運的方向性控制具有重要意義。其次，本文提出了在異質結構中自旋壽命的調節機制，強調了通過調控SOC可實現自旋壽命的高效調制，為自旋電子學應用提供了新的思路。尤其是，在室溫下觀察到的自旋壽命各向異性和持久的自旋紋理，預示著未來在強自旋-軌道耦合體系中，石墨烯等材料可能成為設計拓撲相、操控自旋輸運以及探索拓撲非平凡態的理想平臺。此外，研究結果為如何通過材料間晶體對稱性的互補來定制自旋輸運特性，開辟了新的研究方向。Sierra, J.F., Světlík, J., Savero Torres, W. et al. Room-temperature anisotropic in-plane spin dynamics in graphene induced by PdSe2 proximity. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02109-2
