(纯计算)南京理工大学翟学超团队Phys. Rev. B: 三层石墨烯体系的Rashba自旋分裂

2024年1月18日，Phys. Rev. B在线发表了南京理工大学翟学超教授课题组的研究论文，题目为《Rashba spin splitting based on trilayer graphene systems》。

平坦石墨烯在其自然状态下没有磁性，自旋-轨道耦合（SOC）可忽略不计，尽管其具有优异的力学、热学和电子性质，但其在自旋电子学中的应用非常有限。由于石墨烯中电子的自旋简并抑制了其在自旋电子学中的发展，因此驱动自旋分裂长期以来一直是科学家和工程师的关键目标。

在实验中，通过边缘工程、吸附原子或近邻效应在石墨烯中诱导磁性或SOC来打开自旋简并是有效的。对于SOC，它通常包括Rashba型、Ising型（valley-Zeemann项）和Kane-Mele型，其中Rashba SOC更容易通过界面工程诱导，因为只需要打破面外（z → −z）反演对称性。

在此研究中，通过引入由面外反演对称性破缺引起的非本征层依赖Rashba SOC，作者建立了三层石墨烯（TLG）的普适Rashba哈密顿量。研究结果表明，能带自旋分裂在很大程度上取决于Rashba SOC的层分布和符号，以及TLG的ABA或ABC堆垛顺序。研究发现，随着具有相同符号和大小Rashba SOC层数的增加，自旋分裂显著增强。

对于空间分离的两个大小相同但符号相反的Rashba SOC，由于保持了反演对称性，从而确保完全消除了来自相反层的贡献，因此ABC-TLG中没有出现自旋分裂，而ABA-TLG由于自身缺乏反演对称性而观察到非零自旋分裂。进一步说明栅极电压可以有效地调制能带边缘附近的自旋极化态。此外，使用密度泛函理论（DFT）计算来验证由Au层界面TLG例子中的Rashba分裂效应，其同时诱导Rashba SOC和栅极电压的有效项。这项结果证明了层和对称性在操纵自旋中的重要性，并且可以推广到多层石墨烯或其他范德华界面体系中。

图1 (a-b) ABC堆垛和ABA堆垛TLG的实空间结构；(c) 布里渊区；(d) Rashba诱导的能带自旋手性χ=±1示意图

图2 在K点附近无栅控(U=0)的ABC和ABA堆垛TLG的低能带结构

图3 栅控TLG的低能带结构

图4 ABA-TLG导带的自旋分量平均值<s_z>

图5 DFT计算和晶格模型拟合Au层界面TLG的能带结构

图6 Au/AAA-TLG、Au/AAA-TLG/Au和Au/ABB-TLG/Au的实空间结构和DFT能带结构

【论文链接】

Cheng, X., Xiao, L. & Zhai, X. Rashba spin splitting based on trilayer graphene systems. Phys. Rev. B, 2024, 109, 035426. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.035426

【其他相关文献】

[1] Lui, C., Li, Z., Mak, K. et al. Observation of an electrically tunable band gap in trilayer graphene. Nat. Phys., 2011, 7, 944–947. https://doi.org/10.1038/nphys2102

[2] Marchenko, D., Varykhalov, A., Scholz, M. et al. Giant Rashba splitting in graphene due to hybridization with gold. Nat. Commun., 2012, 3, 1232. https://doi.org/10.1038/ncomms2227

[3] Manchon, A., Koo, H., Nitta, J. et al. New perspectives for Rashba spin–orbit coupling. Nat. Mater., 2015, 14, 871–882. https://doi.org/10.1038/nmat4360

[4] Khokhriakov, D., Hoque, A.M., Karpiak, B. et al. Gate-tunable spin-galvanic effect in graphene-topological insulator van der Waals heterostructures at room temperature. Nat. Commun., 2020, 11, 3657. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17481-1