扭曲角度调控石墨烯自旋结构新突破!

【研究背景】

随着范德华异质结构中扭曲角度工程的发展，调节电子特性的新方法逐渐引起了科学界的广泛关注。扭曲角度工程通过改变二维材料层之间的相对扭曲角度，能够有效调控其电子结构，从而诱发各种独特的物理现象，如磁态、铁电性和非常规超导性等。

然而，在这些现象的背后，自旋-轨道耦合（SOC）起着至关重要的作用。SOC是一种涉及自旋和轨道之间的相互作用，能够影响电子的自旋状态及其相关的传输特性。然而，目前的研究主要集中在理论预测上，实验验证较为缺乏，尤其是关于如何通过扭曲角度来调控自旋结构的实验研究更是寥寥无几。

为了解决这一问题，北京航空航天大学杨皓哲与西班牙巴斯克科学基金会Fèlix Casanova合作尝试通过实验验证扭曲角度对自旋结构的调控能力。他们聚焦于石墨烯与过渡金属二硫属化物（TMD）异质结构，特别是WSe2/石墨烯体系，因为这种体系具有较强的SOC，能够为实验提供理想的研究平台。通过制造具有可控扭曲角度的WSe2/石墨烯范德华异质结构，并利用光学二次谐波生成（SHG）和拉曼光谱技术精确测量扭曲角度，科学家们成功地开展了自旋进动实验，观察了自旋结构的变化情况。

本研究通过实验首次验证了扭曲角度对自旋结构的调控能力，发现了由扭曲角度引起的非常规Rashba-Edelstein效应（UREE）。研究结果表明，扭曲角度不仅可以打开和关闭自旋结构的径向分量，甚至可以改变其螺旋性。这一发现为进一步探索自旋电子学与扭曲电子学的结合提供了新的视角，拓宽了人们对莫尔异质结构中自旋-轨道耦合机制的理解。通过这一研究，科学家们成功展示了利用扭曲角度调节自旋结构的可能性，为未来发展可调扭曲角度的自旋电子器件奠定了基础。

【表征亮点】

1. 实验首次通过自旋进动实验探测到WSe2/石墨烯异质结构中自旋结构的可调性，验证了扭曲角度对自旋-电荷相互转换（SCI）的影响。这一发现揭示了通过改变扭曲角度可以调节自旋结构的特性。

2. 实验通过非局域自旋进动测量在不同扭曲角度下检测到REE和UREE。结果显示，随着扭曲角度的变化，自旋结构中的径向分量和相关的UREE表现出显著变化。在特定的扭曲角度下，自旋结构的螺旋性可以被逆转，并且UREE的符号也发生了改变。

【图文解读】

图1： 器件概述和通过二次谐波生成（SHG）确定的莫尔图案。

图2. 在不同扭曲角度下对REE和UREE的平面内非局域自旋进动测量。

图3. SCI的平面外非局域自旋进动和栅极依赖性。

图4. 自旋结构螺旋性随不同扭曲角度的变化。

图5: 通过扭曲角度调节的Rashba角。

【科学启迪】

这项研究揭示了扭曲角度对自旋-轨道耦合（SOC）的显著影响，尤其是在形成莫尔超晶格的范德华异质结构中。通过精确调整扭曲角度，可以实现自旋结构的显著变化，包括自旋的径向分量和自旋-电荷相互转换效应的调节。这不仅为研究自旋-轨道现象提供了新的实验平台，也展示了调节自旋结构的潜力和方法。

其次，研究结果表明，扭曲角度可以反转自旋结构的螺旋性，从而实现对自旋-电荷相互转换效应的全面控制。这一发现为未来开发基于自旋的器件（如自旋-扭转电子学器件）奠定了基础。这种调控能力不仅推动了对范德华异质结构中自旋现象的理解，也为实现高效的自旋电子学应用提供了新的途径。

参考文献：Yang, H., Martín-García, B., Kimák, J. et al. Twist-angle-tunable spin texture in WSe2/graphene van der Waals heterostructures. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01985-y