在凝聚態物理中，自旋軌道耦合（SOC）作為一種將電子自旋與其運動聯系起來的相對論性相互作用，發揮著基礎性作用，它使得一系列基于自旋的效應成為可能。石墨烯因其長自旋擴散長度，成為自旋傳輸的理想平臺，但其本征SOC較弱，限制了自旋的直接 操控。近期，Juan Sierra及其同事在《自然·材料》上發表的研究報告指出，通過與五邊形二硒化鈀（PdSe?）的鄰近效應，石墨烯展現出了高度各向異性的面內自旋動力學特性。PdSe?以其獨特的面內各向異性，誘導出了一種可通過柵壓調控的SOC，使得石墨烯在室 溫下的自旋壽命實現了十倍的調制。
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圖1 | 用于各向異性自旋輸運的石墨烯-PdSe?異質結構。
由單層石墨烯自旋通道（黑色蜂窩狀晶格）與五邊形PdSe?（藍色和黃色原子結構）界面連接構成，該結構可誘導各向異性自旋軌道耦合（SOC）。此器件由四個鐵磁電極（F1–F4；棕色）和兩個正常金屬接觸點（深藍色）組成。在F1處注入自旋極化電流I，電流在石墨烯中擴散，并在F2處被檢測到，同時測量非局域電壓Vnl以探測自旋弛豫。該裝置使得能夠研究鄰近效應作用下的石墨烯中門控可調的各向異性自旋動力學。圖改編自參考文獻5，施普林格·自然集團。
解析
整體結構描述：
介紹了圖1展示的是用于各向異性自旋輸運的石墨烯 - PdSe?異質結構。該結構由單層石墨烯自旋通道和五邊形PdSe?界面連接組成，這種組合能夠誘導產生各向異性自旋軌道耦合（SOC）。自旋軌道耦合是一種相對論性相互作用，它將電子的自旋與其運動聯系起來，在凝聚態物理中發揮著基礎性作用。
器件組成：
器件包含四個鐵磁電極（標記為F1 - F4，顏色為棕色）和兩個正常金屬接觸點（顏色為深藍色）。鐵磁電極在自旋電子學器件中通常用于產生或檢測自旋極化電流，正常金屬接觸點則用于與其他電路部分連接。
電流注入與檢測：
自旋極化電流I在F1處注入，隨后在石墨烯中擴散。擴散過程中，自旋極化電流的特性會受到各種因素影響，比如這里提到的由PdSe?誘導產生的各向異性自旋軌道耦合。最終，電流在F2處被檢測到。
非局域電壓測量：
同時測量非局域電壓Vnl，目的是探測自旋弛豫情況。自旋弛豫是指自旋極化狀態隨時間逐漸消失的過程，通過測量非局域電壓可以獲取關于自旋弛豫的信息，進而研究石墨烯中的自旋動力學特性。
研究意義：
這種裝置的設計使得研究人員能夠研究鄰近效應作用下的石墨烯中門控可調的各向異性自旋動力學。門控可調意味著可以通過施加門電壓來改變石墨烯中的載流子密度等參數，從而調節自旋壽命的各向異性，這為動態操控自旋提供了途徑，對于開發基于石墨烯的自旋電子學器件具有重要的潛在應用價值。
研究進一步證實，觀察到的各向異性源于鄰近SOC，而非自旋吸收到PdSe ?中。通過比較不同PdSe?厚度的石墨烯-PdSe?器件，研究人員表明，即使材料間的電荷轉移被抑制，自旋弛豫各向異性仍保持一致。這強烈暗示自旋動力學由界面效應而非直接載流子交換所主導，持久的自旋紋理穩定了特定方向上的自旋，同時增強了其他方向上的弛豫。
未來，結合密度泛函理論計算和跨一系列扭轉角的實驗研究，對于全面繪制石墨烯-PdSe?中的自旋紋理景觀至關重要。此外，開發通過應變工程或替代柵壓方案來放大自旋壽命可調性的策略，可能增強 這些異質結構在自旋電子應用中的實際可行性。隨著這些發展，鄰近SOC工程可能為實現穩健的自旋邏輯器件和具有新興拓撲性質的新型量子材料鋪平道路。https://doi.org/10.1038/s41563-025-02231-9
轉自《石墨烯研究》公眾號
