石墨烯中自旋和类自旋自由度的调控

除了通常的电荷、自旋等内禀自由度之外，石墨烯中的电子还具有谷(valley)和赝自旋两个类自旋自由度。自旋和类自旋自由度的调控是当前石墨烯电子学研究的热点之一。本项目以石墨烯体系的电输运性质研究为核心，通过理论分析结合数值模拟，探索Dirac电子在局域磁场、应变场、静电势、自旋轨道耦合、交换劈裂场等的调制下轨道、自旋、谷、赝自旋等自由度相互竞争、相互耦合产生的新效应。从多场调制下Dirac电子的能谱、传输谱、电荷流的谷极化和自旋极化、界面效应、尺寸效应等方面揭示其中的规律和物理机制, 为设计开发基于石墨烯的纳米电子器件和自旋电子器件提供理论依据和物理模型。研究内容包括：(1) 基于谷自由度探索与光学器件类似的电子器件(谷电子光学)；(2) 二端石墨烯器件中谷极化流的产生机制和谷自由度的磁场调控；(3) 自旋轨道耦合调制的石墨烯中自旋流的调控以及谷电子学与自旋电子学的互动。

二维 (类石墨烯) 材料的谷电子学、自旋电子学、等离激元、磁光谱等是凝聚态物理研究的前沿主题。一些二维材料具有半狄拉克型的能带接触点，在它附近的色散沿某个方向是线性的，沿与之垂直的方向是抛物的。本项目开展的研究内容包括：(1) 基于应变石墨烯块材料的谷过滤器及自旋过滤器；(2) 基于具有狄拉克能隙的石墨烯谷过滤器；(3) 石墨烯典型输运特性的推广；(4) 狄拉克电子体系的等离激元。取得的主要研究结果如下。.(1) 研究了双磁条调制的应变石墨烯体系中谷自由度的局域磁场调控，展示了该体系的两个功能：谷过滤开关和隧穿磁电阻。发现磁超晶格调制的应变石墨烯在相当大的参数范围内能输出完全谷极化的电流。发现Rashba自旋轨道耦合与应变场的联合调制不能在石墨烯中产生法向自旋极化，但能增强铁磁石墨烯的法向自旋极化。.(2) 基于对称性分析，探讨了在具有狄拉克能隙的二端石墨烯体系中产生谷极化的必要条件。基于有能隙的石墨烯块材料，设计了两种谷过滤器，其运行原理涉及带间隧穿和谷依赖的反射相位。它们产生的谷极化大小和极性都可由栅极电压调节，并可由出射区的 Hall 电压来探测。.(3) 将石墨烯的输运特性 (Klein隧穿、Fano因子为1/3的散粒噪声、pn结蛇形态) 推广到其它体系。证明了拓扑绝缘体边缘态或表面态的连通性，探讨了二维拓扑绝缘体在非均匀磁场下的蛇形态特性。对半狄拉克点体系，发现 Fano 因子沿着线性色散方向有一个新的普适值 0.179。对磷烯及黑磷薄膜，给出了朗道能级的解析解，发现磁光跃迁存在反常的选择定则，揭示了磷烯量子点边缘态的新特性。.(4) 研究了二维螺旋金属的磁等离子谱，发现随着塞曼能和库仑相互作用的变化，电荷密度激发和自旋密度激发在低频区始终共存，在高频区可以退耦合。在无规相近似下，计算了石墨烯等离激元-声子杂合模式的色散关系。数值结果能很好拟合实验曲线，证实了石墨烯等离激元与单层 h-BN 中 TO 声子 (原子振动方向垂直于平面) 耦合的实验发现。