新型二维量子材料中的自旋性质研究

Recently, there has been great challenges for the conventional silicon-based microelectronics technologies due to the fact that the size of the semiconducting devices has almost decreased to the physical limit arising from the quantum effect. The use of spin degree freedom instead of charge for information storage and computing has a great potential for the negation of information logic devices with increased data processing speed and decreased electric power consumption. The major advance towards spin-based information computing devices is needed: a spin channel with long spin diffusion length and the ability to manipulation of the spin transport. In the last several years, the discovery or isolation of novel two-dimensional quantum materials, including graphene, graphene based heterostructures, topological insulators, black phosphorus, silicene, germanene, etc, has provided a suitable platform for the spintronics, specially the investigation of spin-obit coupling, spin-lattice coupling, spin-momentum interaction and spin-valley interaction, etc, as well as the exploration of these candidate materials as a spin channel. Based on previous research experience and experimental results achieved by the applicant, this proposal outlined a plan to perform spin injection into these two-dimensional quantum materials and to systematically study the spin transport and spin relaxation mechanisms. The project aims to investigate the interaction of the spin degree freedom with other degrees of freedom and the exploration of the promising candidate for spin channels and novel spintronics devices. The successful completion of this project will have a significant impact on the both scientific and technical community.

近年来，硅基传统微电子技术面临严峻挑战，器件尺寸不断缩小，已接近其量子效应的物理极限。利用电子自旋，来代替电荷完成信息的传输和运算，可以实现新一代速度更快、功耗更低的信息处理器件。实现电子自旋信息处理器件的关键是获得具有长扩散长度和调控能力的自旋通道。最近几年中，石墨烯、石墨烯-其他二维材料异质结、拓扑绝缘体、单层二硫化钼、黑磷、硅烯、锗烯等新型二维量子材料的涌现为自旋电子学的科学研究提供了一个绝佳平台，特别是对于电子自旋与轨道、晶格、动量、谷等的相互作用和作为自旋输运通道的探索。在申请人前期实验的基础上，本项目计划通过自旋注入到这些二维量子材料中，系统研究电子自旋的输运以及弛豫等科学问题。本项目旨在揭示电子自旋与其他自由度的内在耦合机制，并深入的探索适合自旋输运和调控的通道和新型自旋器件，具有深刻而广泛的学术意义和应用价值。

目前国际基础研究的一个重要方向是基于电子自旋来完成信息存储和运算功能。新型二维量子材料的涌现为自旋电子学的科学研究提供了一个绝佳平台。在本基金的资助下，我们按计划对新型二维量子材料的自旋电子学物理性质开展了系统研究。四年来，研究进展相当顺利，已很好地完成了本项目的研究任务，达到项目的预期目标。在拓扑绝缘体表面态、二维磁性材料、以及自旋超导新颖量子态等方向取得了一系列研究结果。共发表SCI论文23篇，包括Nature Mater. 1篇，Science Advances 3篇,Phys. Rev. Lett.和Phys. Rev. X各1篇，Nature Commum. 1篇等。取得的主要学术成果包括：..1）自旋超导实验上取得重要进展。自旋超导态呈现出零自旋阻现象，是由自旋波色子在低温时凝聚成的超流态。我们课题组和谢心澄院士团队紧密合作，巧妙的利用非局域自旋输运测量方法，成功在低温下观测到了在单晶Cr2O3反铁磁薄膜中的自旋超导实验证据：零自旋阻现象。该实验是自旋超导态研究领域的一项重大突破，首次为自旋超导态提供了可靠实验证据。..2）拓扑绝缘体表面态自旋性质研究取得重要进展。我们课题组系统地测量了低温下近藤拓扑绝缘体SmB6表面态中逆Edelstein效应随频率、功率和磁场角度的变化关系，证实了所观察到的自旋电荷转换信号来自于拓扑绝缘体表面态的自旋动量锁定关系。..3）在二维磁性材料的自旋研究中取得突破。我们课题组成功从磁性块材中制备出二维层状 Cr2Ge2Te6，采用光学、电学等手段进行表征，证实了二维磁性材料的存在，并且系统地研究了电场对其电学、磁学性质的调控。此外，我们课题组研究发现二维MnPS3材料中的磁振子输运距离在微米量级。这是二维磁性材料中磁振子研究的一个重要进展，为后期研究二维材料磁振子的量子特性和利用二维磁性材料作为磁振子输运通道的磁子器件奠定了基础。..以上这些成果和发现，促进了新颖二维量子材料的自旋电子学发展，也为基于二维量子材料制造各种自旋器件提供了物理基础。