基于二维材料谷-塞曼效应的高效自旋翻转

2022年7月8日，国际知名期刊Applied Physics Reviews在线发表了北京航空航天大学集成电路科学与工程学院自旋芯片团队的最新科研成果“Spin Manipulation by Giant Valley-Zeeman Spin-Orbit Field in Atom-Thick WSe2”，论文同时入选了该期刊的 Featured Article，并被美国物理联合会AIP Scilight 以“Flipping spins to enable ultralow power electronics ”为题撰文推荐。该工作首次发现了二维材料WSe2自旋阀器件随WSe2层数和堆垛类型而发生正负振荡的新奇磁阻现象，揭示了基于二维材料谷-塞曼有效场的进动型自旋翻转新机制，为发展新型低功耗自旋电子器件提供了新思路。

图1. Rashba型与Zeeman型自旋轨道有效场对比图

在对称性破缺的材料中，自旋轨道耦合（SOC）可以诱导出自旋轨道有效场（SOF），由此可以实现无需外部磁场的自旋操纵，已经应用于磁存储器件的高速信息写入。相比于界面/表面的Rashba型SOF，北航团队创新性地利用对称性破缺的二维过渡金属硫化物（2D-TMDs）WSe2的谷-塞曼SOF使得面内极化自旋流发生进动型翻转，可以实现自旋流的高效操控。相比于传统的Rashba型SOF，该塞曼型SOF垂直于材料平面且不依赖于电子运动的方向，在K和-K谷具有相反的符号来保持时间反演对称性，如图1所示。

图2 WSe2垂直自旋阀器件示意图以及基于谷-塞曼SOF的进动型自旋翻转图像

为利用WSe2的谷-塞曼SOF实现自旋操控，北航团队使用合适功函数的电极材料，制备了铁磁电极/单层WSe2/铁磁电极的垂直自旋阀器件，确保器件自旋输运主要发生在WSe2的价带顶附近，在实验上观测到了反常的负磁阻效应。通过改变垂直自旋阀中WSe2的层数和堆垛类型，进一步发现了磁阻的符号随着层数增加发生正负振荡，磁阻的数值则跟堆垛类型相关。通过设计对照实验和开展理论计算，北航团队证实了该磁阻振荡行为源自于2D-TMDs中的谷-塞曼SOF。由于WSe2的谷-塞曼SOF依赖于空间反转对称性，相应地可以通过改变层数和堆垛相位进行调控。通过考虑WSe2在K/-K谷的自旋塞曼劈裂，使用量子理论计算的自旋分辨透射系数可以很好地与实验结果相比对。在此基础上，团队发展了一个唯象物理模型，给出一个直观的自旋进动的图像：自旋在单层WSe2的谷-塞曼SOF作用下发生翻转，产生负磁阻；对于AA堆叠的双层WSe2器件，两层WSe2存在相同方向的SOF，导致自旋极性相当于连续翻转两次，仍然表现为正磁阻；而对于AB堆叠的双层WSe2器件，空间反转对称性保持，不存在谷-塞曼有效场，表现为普通的正磁阻。考虑谷-塞曼SOF引起的自旋耗散效应，该理论图像还可以进一步解释不同层数和堆叠类型WSe2对器件磁阻幅值的影响。结合二维材料的纳米厚度特性，上述唯象的物理图像意味着WSe2体系巨大的谷-塞曼SOF。通过计算WSe2价带顶载流子的有效g因子，根据WSe2的自旋劈裂强度，可以估算该有效场的强度约为650T，这比实验室能施加的外场大1~2个数量级。

由于WSe2的强谷-塞曼SOF位于价带顶，因此谷-塞曼SOF驱动的自旋流极化翻转依赖于器件费米能级的位置，表明谷-塞曼SOF器件具有栅极可调性，后续可以应用于可编程电子器件。

图3 单层WSe2器件的负磁阻及随WSe2层数和堆叠类型而发生正负振荡的磁阻效应

北航集成电路学院王新河副教授、博士生杨维、曹元以及加拿大英属哥伦比亚大学杨望博士为论文共同第一作者，林晓阳副教授、赵巍胜教授为论文的通讯作者，北航集成电路学院尉国栋助理教授、卢海昌副教授以及北航材料科学与工程学院汤沛哲教授为论文共同作者。北京航空航天大学工信部空天信自旋电子技术重点实验室为论文第一完成单位。

近年来，北航集成电路科学与工程学院自旋芯片团队聚焦超低功耗自旋电子器件的技术研发，在材料 [1-4]、机理 [5-7]、器件 [8-11]等层面都取得了一系列进展，相关成果发表于Nature Electronics、Nature Nanotechnology、Nature Communications、PNAS、IEEE IEDM等国际知名期刊及会议。

上述研究工作得到了国家自然科学基金、高等学校学科创新引智计划、北京市大数据与脑机智能高精尖中心（BDBC）、中国科协青年人才托举工程等的资助。北航智能微纳公共创新中心为本项研究工作提供了硬件平台支撑，致真精密仪器(青岛)有限公司研制的国内首款多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统和科研级磁场探针台，为本项研究工作提供了全国产科研仪器及技术支持方案。

论文链接：

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0089162