新加坡國立大學的物理學家創新了一種概念，可以誘導並直接量化二維材料中的自旋分裂。透過使用這個概念，他們在實驗中實現了石墨烯的大可調性和高度自旋極化。這項研究成果有可能推動二維自旋電子學領域的發展，並應用於低功耗電子學。

新加坡國立大學的研究人員證明，在鐵磁性絕緣氧化物Tm3Fe5O12 (TmIG) 上的石墨烯中出現了強大的自旋極化現象，其自旋分裂能量高達數百meV。在石墨烯中觀察到的自旋極化現象具有較大且可調的自旋分裂能量，這為二維自旋電子學在低功耗電子學領域的應用帶來了巨大希望。資料來源：新加坡國立大學

現代電子技術，尤其是個人電腦和智慧型手機等設備面臨的一項重大挑戰是，當電流通過材料時會產生熱能，使材料溫度升高。

一個潛在的解決方案是在邏輯電路中使用自旋而不是電荷。由於減少或消除了焦耳熱，這些電路原則上可以提供低功耗和超快速度。這就催生了新興的自旋電子學領域。

石墨烯是自旋電子學的理想二維材料，因為它具有較長的自旋擴散長度和較長的自旋壽命，即使在室溫下也是如此。儘管石墨烯本身不具有自旋極性，但將其置於磁性材料附近可誘導其表現出自旋分裂行為。然而，目前存在兩大挑戰。一是缺乏確定自旋分裂能量的直接方法，二是石墨烯的自旋特性和可調性受到限制。

石墨烯自旋電子學的突破

由新加坡國立大學物理係阿裡多教授領導的研究小組提出了一個創新概念，即利用朗道扇形位移直接量化磁性石墨烯中的自旋分裂能。朗道扇形移動是指在繪製振盪頻率與電荷載體的線性擬合曲線時截距的移動，這是由於帶電粒子在磁場中的能階分裂所造成的。它可用於研究物質的基本特性。

圖示自旋極化電子在置於鐵磁性絕緣氧化物Tm3Fe5O12 (TmIG) 上的石墨烯層中的擴散。石墨烯和TmIG 之間強烈的交換相互作用導致石墨烯帶狀結構出現顯著的自旋分裂。這種自旋分裂反過來又導致了電荷載子密度的巨大差異，其自旋方向被標記為”自旋向上”（↑）和”自旋向下”（↓）。這種載子密度的差異導致了自旋極化電流的產生。資料來源：先進材料公司

此外，誘導的自旋分裂能量可以透過一種稱為場冷卻的技術在很大範圍內進行調整。在石墨烯中觀察到的高自旋極化，加上其自旋分裂能量的可調諧性，為開髮用於低功耗電子裝置的二維自旋電子學提供了一個前景廣闊的途徑。

這些發現最近發表在《先進材料》雜誌上。

實驗驗證與理論支持

研究人員進行了一系列實驗來驗證他們的方法。他們首先在磁性絕緣氧化物Tm3Fe5O12 (TmIG) 上堆疊單層石墨烯，從而創建了磁性石墨烯結構。這種獨特的結構使他們能夠利用朗道扇形位移直接量化磁性石墨烯中132 meV 的自旋分裂能量值。

為了進一步證實朗道扇形偏移與自旋分裂能之間的直接關係，研究人員進行了場冷卻實驗，以調整石墨烯中的自旋分裂程度。他們還在新加坡同步輻射光源（Singapore Synchrotron Light Source）應用了X射線磁圓二色性（X-ray magnetic circular dichroism）技術，以揭示自旋極化的起源。

研究論文的第一作者、新加坡國立大學物理系高級研究員胡俊雄博士說：”我們的工作解決了二維自旋電子學中長期存在的爭議，提出了利用朗道扇形位移直接量化磁性材料中自旋分裂的概念。

為了進一步支持他們的實驗發現，研究人員與中國科學技術大學喬振華教授領導的理論團隊合作，利用第一原理計算自旋分裂能。所得的理論結果與實驗數據一致。此外，他們還根據現象學模型，利用機器學習對實驗數據進行擬合，從而更深入地理解了場冷卻對自旋分裂能的可調性。

Ariando教授說：”我們的工作開發出了一條在原子薄材料中產生、檢測和操縱電子自旋的強大而獨特的途徑。它還展示了人工智慧在材料科學中的實際應用。隨著二維磁體和原子級薄范德華異質結構中堆疊誘導磁性領域的快速發展和人們的極大興趣，我們相信我們的成果可以推廣到其他各種二維磁性系統中。”

在這項概念驗證研究的基礎上，研究小組計劃探索在室溫下操縱自旋電流。他們的目標是將研究成果應用於二維自旋邏輯電路和磁記憶/感知設備的發展。有效調節電流自旋極化的能力為實現全電自旋場效電晶體奠定了基礎，從而開創了低功耗和超高速電子裝置的新時代。

編譯來源：ScitechDaily