张远波课题组发表有关双层石墨烯谷自旋电输运调控的最新研究成果

日前，复旦大学物理系张远波教授课题组与合作者的论文《双层石墨烯中的可控谷自旋输运》（Gate-tunable Topological Valley Transport in Bilayer Graphene）在国际权威期刊《自然•物理学》在线发表。论文详细介绍了课题组的最新研究成果——在双层石墨烯中通过栅极电压调控谷自旋输运，第一作者为我校物理系校友眭孟乔。

理论上的深入：石墨烯中的电子自旋与准自旋

石墨烯（Graphene）是由单层碳原子组成的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯优异的导电性、导热性以及机械性能使其具有广阔的应用前景，其特殊的物理性质也为研究者进行基础物理研究提供了平台。此次张远波教授课题组观测到的谷自旋的输运行为也是利用了“双层石墨烯的空间反演对称性能够由垂直电场控制”这一特点进行探索的。

张远波教授介绍，双层石墨烯和单层石墨烯中的电子不仅仅具有自旋自由度，其六角晶格还保证石墨烯中存在另外一个自由度叫做准自旋。电子的自旋是电子除了电荷以外的另一个特性，其状态由自旋向上和自旋向下两种自旋态相叠加描述。而石墨烯中由于其六角晶格具有AB两套格子，电子的波函数由AB两套格子的波函数叠加而成，其数学形式与电子自旋波函数相同，因此称其为准自旋。在石墨烯中准自旋与其动量空间中的能谷息息相关，因此又称为谷自旋。

天然的石墨烯中，由于空间反演对称性保护，无法观测到准自旋相关的现象，但在破坏系统的空间反演对称性后，就有可能在石墨烯中产生与电流类似的准自旋流，从而在实验上被探测到。

准自旋流和电流存在着显著的差别。电器使用一段时间后会发热，这其实就是电流在传输的过程中产生的能量耗散。然而准自旋流在传输过程中的能量耗散很小，如果用于信息的处理，将会极大地节约能量，提高能量利用效率。

实验上的突破：实现准自旋的调控

 
a为样品结构的顶视图 b为截面图

双层和单层石墨烯中准自旋流这一概念于2007年由肖笛、姚望和牛谦提出，肖笛和姚望也是这次发表的论文的合作者。张远波教授所带领的团队在实验上取得了突破，实现了双层石墨烯中准自旋的调控。据论文第一作者，现工作于牛津仪器的我校物理系校友眭孟乔介绍，虽然在单层和双层石墨烯中均可以观测到谷自旋的输运，但是破坏单层石墨烯的空间反演对称性要求破坏AB格子的对称性，难度极大且难以调控。因此他们在实验中利用顶栅和背栅的栅极电压建立垂直的电场，破坏了双层石墨烯的空间反演对称性，通过非局域的电学测量方法实现了对谷自旋的探测，并且最终实现了可由外电场调控的谷自旋信号观测。

 
在不同栅极电压下样品电阻（蓝色）随外电场变化，同时观测到的谷自旋信号（橙色）也受到了调制

谈到研究的过程，张远波教授表示：“整个研究大约持续了两年多时间，过程中出现了许多难题，如实验样品的制造以及准自旋流传输信号的测量等等。然而课题组最终还是克服了这些困难，成功观测到了实验现象。”据他介绍，日本东京大学Tarucha教授带领的科研小组也在大约同一时间在网上公布了类似的研究结果。