устойчивост

  • елементи
  • абстрактно
  • Въведение
  • резултатът
  • Трислоен графен
  • Еднослоен графен
  • Развитие на спинов резонанс
  • дискусия
  • методи
  • Графенни проби
  • Конфигурация на измерване
  • Повече информация
  • Коментари

елементи

  • Приложна физика
  • графен
  • Спинтроника

абстрактно

Електронните носители в графен показват висока мобилност на носители при стайна температура. Следователно тази система обикновено се счита за потенциален бъдещ високоскоростен, базиран на такси електронен материал, който допълва или замества силиция. В същото време въртящите се свойства на графена показват подобрената способност на базираната на въртене електроника или спинтроника и квантовите изчисления, базирани на въртене. В резултат на това откриването, характеризирането и транспортирането на завъртанията са станали обект на интерес в графена. Представяме тук микровълново фоточувствително транспортно изследване на еднослоен и трислоен графен, което разкрива неочаквано силна електрическа реакция, индуцирана от микровълнови и двойни микровълнови индуцирани резонанси в еднопосочно съпротивление. Резултатите предполагат откриване на съпротивление на спиновия резонанс и осигуряват измерване на g-фактор, време на релаксация на въртене и разцепване на субтрекег дегенерация при нулево магнитно поле.

Квантовата степен на механично въртене на свободата намира забележителни приложения в областта на квантовите изчисления (QC) и електрониката, базирана на спиновата технология (spintronics) 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Например в QC сценариите спинът на частиците често служи като квантов бит или кубит 1, 2, 3, 4, 5, 6. В спинтрониката въртенето се използва за оборудване на електронни устройства с нова функционалност, като например в огромна магниторезистивна четяща глава или спин транзистор 7, 8. Графенът е нова двумерна система със забележителни свойства като безмесни фермиони на Дирак, аномална фаза на Бери, псевдо-спин (дегенерация на долината) в допълнение към спинови и половин интегрални квантови ефекти на Хол 9, 10, 11, 12. Графенът също е привлекателен материал за QC и спинтроника 1, 4, 5, 6, 7, 8, 13, 14, 15 поради очакваното слабо взаимодействие между спина и орбитата и липсата на ядрени спинове в естествените въглища. Благодарение на КК и спинтрониката, микровълновото управление и електрическото откриване на завъртания вече станаха обект на интерес в областта на графеновите наноструктури 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, където малък брой завъртания ограничава полезността на традиционния спинов резонанс.

Представяме първото наблюдение на съпротивлението на спиновия резонанс в епитаксиален графен (EG) 9, 18, 19, предоставяме измервания на g-фактора и времето за релаксация на центрофугирането и определяме разцепването на псевдо-спина (дегенерация на долината) при нулево магнитно поле. Такова откриване на резистивен резонанс може потенциално да послужи за пряко характеризиране на спиновите свойства на Dirac fermons и може също да помогне за определяне и настройка на разцепването в дегенерацията на долината за спин-базиран QC 15.

резултатът

Трислоен графен

Фигура 1а показва диагоналното съпротивление Rxx срещу магнитното поле B за трислойната EG проба, проба 1. Синята крива, получена при T = 1,5 K в проба 1, показва пика в Rxx близо до нулевото магнитно поле, което има слаба локализация (WL) 20, 21, 22, последвана от положителна магнитоустойчивост при B> 0,2 T. На фигура 1а увеличението на T води до T = 90 K на червената крива, която съдържа положителна изместване на коловоза Rxx спрямо B спрямо коловоза T = 1, 5 K, т.е. dRxx/dT> 0 при B = 0 T, заедно с охлаждане WL. Тъй като WL не може да се наблюдава без разсейване между долините в еднослоен или двуслоен графен 22, се приема, че наблюдаваният WL е индикатор за ненулев матричен елемент между долините.

( а ) Диагоналното съпротивление R xx е показано срещу магнитното поле, B, при температури T = 90 K, показано в червено и T = 1,5 K, показано в синьо, за проба 1, в тъмно състояние, без микровълново възбуждане . Нарастването нагоре на кривата T = 90 K по отношение на кривата T = 1,5 K показва, че Rxx се увеличава с температурата, т.е. dRxx/dT ≥0. ( б ) R x x срещу B при липса на микровълново възбуждане е показано в синьо и под константа F = 48 GHz микровълново възбуждане при P = 4 mW е показано в червено за проба 1. червеното показва равномерно отместване нагоре по отношение на тъмната крива Rxx, показана в синьо за B 1 T Rxx показва долини на съпротивление, когато фотоцитираната крива се приближава до тъмната крива, подобно на понижаване на температурата. За да се подчертаят свързаните резонанси, има промяна в диагоналното съпротивление, Rxx = Rxx (4 mW) - Rxx (тъмно) спрямо B на фигура 1в. Фигура 1в показва две забележителни характеристики: резонанс с високо магнитно поле при | B | = 1,75 T и знака на ниското магнитно поле при | B | = 1, 4 T. Тези резонанси изчезват, когато температурата на банята се повиши до T> 5 K.

Еднослоен графен

Фигура 2a-c показва резултатите за проба 2, докато фигура 2d-f показва представителни данни за проба 3. И проба 2, и проба 3 са еднослойни EG проби. T зависимостта на Rxx при B = 0 T е показана на Фигура 2а за проби 2 и 3, съответно. За разлика от проба 1, проби 2 и 3 показват намаляване на Rxx (B = 0) с повишаване на температурата, т.е. dRxx/dT

Панели а - ° С показват някои резултати за проба 2, докато снимките д, е представляват представителни данни за проба 3. ( а ) Проба 2 показва намаляване на съпротивлението Rxx с повишаване на температурата T, т.е. dRxx/dT. ≤0, при липса на магнитно поле, т.е. B = 0 T. ( б ) Следите от данните показват промяна надолу с увеличаване на мощността на микровълните, P при F = 18 GHz, което показва нагряване, индуцирано от микровълнова фурна на носителя в пробата. Rxx при B = 0 T, получени от тези следи, бяха маркирани като запълнени кръгове на панела а по-горе, което показва зависимостта на T Rxx. P = 10 mW изглежда повишава температурата на носителя до T = 32 K в проба 2. Резонансите, индуцирани от микровълни, се появяват близо до пунктираните линии с увеличаване на P. ( ° С ) е показано Δ R xx = R xx (10 mW) - R xx (тъмно) спрямо магнитно поле за проба 2. Обърнете внимание на промяната Δ R xx поради спиновия резонанс близо до пунктираните линии до B = ± 0, 66 и ± 0, 27 T. ( д ) Проба 3 също показва намаляване на съпротивлението Rxx с повишаване на температурата T, т.е. dRxx/dT

( а - д ) В проба 1, индуцираната от снимката промяна в диагоналното съпротивление Δ R xx от версия B за ( а ) 17 GHz, ( б ) 22 GHz, ( ° С ) 28 GHz, ( д ) 42 GHz a ( д ) 48 GHz. Обърнете внимание на равномерното изместване на резонансите, обозначено с пунктирана линия, към по-високото B с увеличаване на F. Резонансите тук се характеризират с Axxx минимуми. ( е - з ): В проба 2 промяната в диагоналното съпротивление Δ R xx, индуцирана от снимката, спрямо B за ( е ) 17 GHz, ( ж ) 19 GHz a ( з ) 21 GHz. Обърнете внимание на изместването на резонансите, обозначено с пунктирана линия, към по-високо B с увеличаване на F. Резонансите тук се характеризират с максимуми на съпротивление. ( i, j ) В проба 3 промяната в диагоналното съпротивление Δ Rxx, индуцирана от снимката спрямо B за ( i ) 17 GHz a ( j ) 21 GHz. Забележете изместването на резонансите, обозначено с пунктирана линия, към по-високо B с увеличаване на F.

Изображение в пълен размер

Фигура 4а е графика на микровълновата честота F спрямо резонансните магнитни полета B, извлечена от фигура 3. Фигура 4а показва, че резонансните стойности B за трите проби се свиват на две линии: златната линия на фигура 4 Фигура 4а, която представлява високите В-резонансни резонанси на Фигура 3, показва линейно увеличение като F (GHz) = 27, 2 B (T), с координатите в началото. Следващият ред, показан в лилаво на Фигура 4а, който представлява резонансите с ниски В от Фигура 3, показва линейно увеличение като F (GHz) = 10, 76 + 26, 9 B (T) с ненулево пресичане, F 0 = 10, 76 GHz. В такава графика ще последва спиновият резонанс за електрон с g-фактор g e = 2.0023: F (GHz) = 28.01 B (T). Наблюдавани градиенти, dF/d B = 26,9 ± 0,4 GHz T'1 (dF/d B = 27,2 ± 2,2 GHz T1) за нисък (висок) резонанс на полето съответстват на спиновите резонанси sg // = 1, 92 ± 0, 028 ( g // = 1, 94 ± 0, 014).

Изображение в пълен размер

дискусия

Измерваните тук gfactors са сравними с g-стойностите, получени от традиционните изследвания на ESR върху графит, които предполагат, че g-факторът за

c -ос, се увеличава от 2,05 при 300 K до 2, 15 при 77 K, докато при T = 300 K коефициентът g е

Наблюдението на подобни двойни резонанси в монослоевете и трислойния графен може да се разглежда като последица от подреждането на въртящи се (не AB) слоеве в EG, което позволява дори на многослойния EG да проявява същите електронни свойства като изолирания графен 18. Забележете също така, че е известно, че при високо В в графен 40, 41, 42 се получава дегенерация на подрешетка или псевдо-спин. Например, прогресията на квантовия ефект на Хол от последователността R xy = [4 (N +1/2)] -1 h/e2 10, 11, 43 до наблюдението σ xy се увеличава на стъпки от e 2/h . (справка 40), отразява издигането както на спиновата, така и на псевдоспиновата дегенерация. В допълнение, нелинейно разцепване с дегенерация на долината е отбелязано от проучване на сканираща тунелна спектроскопия 42. И накрая, проявата на WL, която се наблюдава на ФИГ. 1 и 2, индикатор за междучестотно свързване в тези проби 22. Тъй като разпределението на субтилната решетка не е неочаквано поради горното, наблюдаваното F0 = 10,76 GHz се приписва на нулевото магнитно поле на псевдоспин (дегенерация на подрешетка) с деление AB = hFo = 44, 4 μeV.

Временна интерпретация на графика F срещу B на фигура 4а е показана на фигура 4b. Хиралните собствени състояния и линейната дисперсия на енергийните вълни характеризират носителите в графена. Прилагането на поле Б номинално създава четворни, по-ниски и спин-дегенерирани нива на Ландау, характеризиращи се с E N = ± ν F (2 eħBN) 1/2, където N = 0, 1, 2

, e е електронният заряд, ν F е скоростта на Ферми и and е редуцираната константа на Планк.

Да предположим, че четворната дегенерация се повишава hF 0 дори при B = 0, за да се образуват енергийни дублети като E N '= E N ± hF 0/2. След това, поради ефекта на Земан, зададените нива на Landau показват по-нататъшно разпределение на спиновата дегенерация като E N ″ = E N '± gμB/2. Наблюдаваните микровълнови индуцирани преходи се случват в рамките на най-високото заето ниво на Landau близо до нивото на Ферми. Тъй като EN >> hF 0/2 и gμB/2, премахваме термина EN и графиката E/h = (E N ″ - E N)/h на фигура 4b.

Микровълновото фото възбуждане индуцира спин-флип преходи, представени от злато, на несдвоени носители между нивата на въртене на долния или горния дублет. Такива преходи изискват изчезваща фотонна енергия в точката на изчезване Б. За разлика от това, преходът между долното ниво на центрофугиране ("нагоре") на долния дублет и по-високото ниво на центрофугиране ("надолу") на горния дублет изисква допълнителна енергия hF 0 и такъв преход, показан в лилаво, показва - повърхностната енергия на фотона в границата B → 0. По този начин изглежда, че графиката F срещу B е в съответствие със спиновия резонанс и псевдо-спина (дегенерация на долината) с нулево поле, което разделя увеличения резонанс на спина.

В обобщение, извършихме откриване на съпротивление на спиновия резонанс в EG, предоставихме измервания на g-фактора и времето за релаксация в спиновете и идентифицирахме - и измерихме - псевдо-спина (дегенерация на долината), който се разцепи в отсъствието на магнитно поле. поляна. Такова откриване на резистивен резонанс може потенциално да послужи за пряка характеристика на спиновите свойства на Dirac fermons и също така може да помогне при определянето и настройката на разпределението на дегенерацията на долината за спин-базирани КК.

методи

Графенни проби

EG се извършва чрез термично разлагане на изолационен 4Н силициев карбид (SiC) 18. EG пробите се характеризират с елипсометрия и извлечената дебелина на слоя се превръща в редица слоеве със скорост 0,335 nm на слой. C-повърхността на EG/SiC чипа беше обработена чрез литография на електронни лъчи върху микрометров прът на Хол с Pd/Au контакти. Тук са дадени измерванията за три проби от халски пръти с етикети 1, 2 и 3. Проба 1 е номинално трислоен графен, докато проби 2 и 3 са еднослоен графен. Пробите са от тип p с концентрация на отвора, p1010 13 cm −2 и подвижност на носителя μ ≈10 3 cm 2 V −1 s −1 .

Конфигурация на измерване

Пробата от EG Hall обикновено е монтирана в края на дълга права част от правоъгълен правоъгълен вълновод WR-62. Пробният вълновод се вкарва в отвора на свръхпроводящия соленоид, потапя се в изпомпвания течен хелий и се облъчва с микровълни в честотния диапазон 10 44. Тук беше приложено външно магнитно поле, ориентирано по осите на соленоида и вълновода, когато задействаната от сондата антена във вълновода възбуждаше напречния електрически (TE-10) режим. По този начин електрическото поле на микровълновата печка е ориентирано перпендикулярно на приложеното външно магнитно поле. Линиите на микровълновото магнитно поле образуват затворени контури с компоненти в напречната и аксиалната посока на вълновода.

Повече информация

Как да цитирам тази статия: Mani, RG et al. Наблюдение на детектиран от съпротивление спинов резонанс и псевдоспиново разцепване в нулево поле в графен. Нат. Общ. 3: 996 doi: 10, 1038/ncomms1986 (2012).

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако откриете нещо обидно или несъвместимо с нашите условия или насоки, означете го като неподходящо.