спінового

  • предметів
  • реферат
  • вступ
  • результат
  • Тришаровий графен
  • Одношаровий графен
  • Розвиток спінового резонансу
  • обговорення
  • методи
  • Зразки графену
  • Конфігурація вимірювання
  • Детальніше
  • Коментарі

предметів

  • Прикладна фізика
  • графен
  • Спінтроніка

реферат

Електронні носії в графені демонструють високу рухливість носіїв при кімнатній температурі. Тому ця система, як правило, вважається потенційним високошвидкісним електронним матеріалом на платній основі, який доповнює або замінює кремній. У той же час спінінгові властивості графена вказують на покращену здатність електроніки на основі обертання або спінтроніки та квантових обчислень на основі обертання. Як результат, виявлення, характеристика та транспорт спінів стали предметом інтересу для графена. Ми представляємо тут мікрочутливе фоточутливе транспортне дослідження одношарового та тришарового графену, яке виявляє несподівано сильну електричну реакцію, викликану мікрохвильовим та подвійним мікрохвильовим резонансом в односпрямованому опорі. Результати пропонують виявити опір спінового резонансу та забезпечити вимірювання g-фактора, часу релаксації обертання та розщеплення субтрекегової дегенерації при нульовому магнітному полі.

Квантовий ступінь механічного обертання свободи знаходить значне застосування в галузі квантових обчислень (QC) та електроніки, заснованої на спіновій технології (spintronics) 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Наприклад, у сценаріях контролю якості спін частинок часто служить квантовим бітом або кубітом 1, 2, 3, 4, 5, 6. У спінтроніці спінінг використовується для оснащення електронних пристроїв новою функціональністю, наприклад у величезній магніторезистивній зчитувальній головці або спіновому транзисторі 7, 8. Графен - це нова двовимірна система з такими чудовими властивостями, як безмісні ферміони Дірака, аномальна фаза Беррі, псевдоспін (дегенерація долини) на додаток до спінових та напів інтегральних квантових ефектів Холла 9, 10, 11, 12. Графен також є привабливим матеріалом для контролю якості та спінтроніки 1, 4, 5, 6, 7, 8, 13, 14, 15 через очікувану слабку взаємодію між спіном та орбітою та відсутність ядерних спінів у природному вугіллі. Завдяки контролю якості та спінтроніці управління мікрохвильовою піччю та електричне виявлення спінів стали предметом інтересу в галузі наноструктур графена 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, де невелика кількість обертань обмежує корисність традиційного спінового резонансу.

Ми представляємо перше спостереження спінового резонансного опору в епітаксіальному графені (ЕГ) 9, 18, 19, забезпечуємо вимірювання g-фактора та часу релаксації центрифугування та визначаємо розщеплення псевдо-спіна (дегенерація долини) при нульовому магнітному поле. Таке виявлення резистивного резонансу може потенційно послужити безпосередній характеристиці спінових властивостей ферамів Дірака, а також може допомогти у визначенні та налаштуванні розщеплення в дегенерації долини для спінового контролю якості 15.

результат

Тришаровий графен

На рис. 1а показано діагональний опір Rxx проти магнітного поля B для тришарового зразка ЕГ, зразок 1. Синя крива, отримана при T = 1,5 K у зразку 1, показує пік Rxx поблизу нульового магнітного поля, що спостерігається слабка локалізація (WL) 20, 21, 22, за якою слідує позитивний магнітостійкість при B> 0,2 Т. На рисунку 1а збільшення T призводить до T = 90 K на червоній кривій, що містить позитивну зсув колії Rxx проти B щодо колії T = 1,5 K, тобто dRxx/dT> 0 при B = 0 T, разом із охолодженням WL. Оскільки ШВ неможливо спостерігати без розсіювання між долинами в одношаровому або двошаровому графені 22, передбачається, що спостережуваний ШВ є показником ненульового матричного елемента між долинами.

( a ) Діагональний опір R xx показаний проти магнітного поля, B, при температурах T = 90 K, показаний червоним кольором, і T = 1,5 K, показаний синім кольором, для зразка 1, у темному стані, без мікрохвильового збудження . Підйом кривої T = 90 K вгору щодо кривої T = 1,5 K вказує на те, що Rxx зростає з температурою, тобто dRxx/dT ≥0. ( b ) R x x проти B за відсутності мікрохвильового збудження показано синім кольором, а нижче постійного F = 48 ГГц мікрохвильове збудження при P = 4 мВт червоним кольором для зразка 1. червоний показує рівномірний зсув вгору щодо темної кривої Rxx, показаний синім для B 1 T Rxx, показує долини опору, коли фотоцитувана крива наближається до темної кривої, подібно до зниження температури. Щоб виділити пов'язані з цим резонанси, існує зміна діагонального опору, Rxx = Rxx (4 мВт) - Rxx (темний), порівняно з B на малюнку 1c. На рис. 1в показано дві чудові особливості: резонанс високого магнітного поля при | B | = 1,75 Т і знак малого магнітного поля при | B | = 1, 4 Т. Ці резонанси зникли, коли температура ванни зросла до Т> 5 К.

Одношаровий графен

На малюнку 2a-c показані результати для зразка 2, тоді як на малюнку 2d-f показані репрезентативні дані для зразка 3. І зразок 2, і зразок 3 є одношаровими зразками ЕГ. Залежність Rxx від T при B = 0 T показана на рис. 2а для зразків 2 та 3 відповідно. На відміну від зразка 1, зразки 2 і 3 демонструють зменшення Rxx (B = 0) зі збільшенням температури, тобто dRxx/dT

Панелі a - c показати деякі результати для зразка 2, тоді як фотографії d, f представляють репрезентативні дані для зразка 3. ( a ) Зразок 2 показує зменшення опору Rxx із збільшенням температури T, тобто dRxx/dT. ≤0, за відсутності магнітного поля, тобто B = 0 Т. ( b ) Сліди даних демонструють зсув вниз із збільшенням потужності мікрохвиль, Р при F = 18 ГГц, що вказує на індукований мікрохвильовою дією нагрівання носія в зразку. Rxx при В = 0 Т, отримані з цих доріжок, були позначені як заповнені кола на панелі a вище, що показує залежність T Rxx. P = 10 мВт, як видається, підвищує температуру носія до T = 32 K у зразку 2. Резонанси, викликані мікрохвильовою піччю, з'являються поблизу пунктирних ліній із збільшенням P. ( c ) показано Δ R xx = R xx (10 мВт) - R xx (темне) проти магнітного поля для зразка 2. Зверніть увагу на зміну Δ R xx внаслідок спінового резонансу поблизу пунктирних ліній до B = ± 0, 66 та ± 0, 27 Т. ( d ) Зразок 3 також показує зменшення опору Rxx із збільшенням температури T, тобто dRxx/dT

( a - e ) У зразку 1 фотоіндукована зміна діагонального опору Δ R xx від версії B для ( a ) 17 ГГц, ( b ) 22 ГГц, ( c ) 28 ГГц, ( d ) 42 ГГц a ( e ) 48 ГГц. Зверніть увагу на рівномірний зсув резонансів, позначених пунктирною лінією, на вищу В зі збільшенням F. Резонанси тут характеризуються мінімумами Axxx. ( f - h ): У зразку 2 зміна діагонального опору Δ R xx, викликане фотографією, проти B для ( f ) 17 ГГц, ( g ) 19 ГГц a ( h ) 21 ГГц. Зверніть увагу на зсув резонансів, позначений пунктирною лінією, до вищого B із збільшенням F. Резонанси тут характеризуються максимумами опору. ( i, j ) У зразку 3 зміна діагонального опору Δ Rxx, викликане фотографією, проти B для ( i ) 17 ГГц a ( j ) 21 ГГц. Зверніть увагу на зсув резонансів, позначений пунктирною лінією, до вищого B із збільшенням F.

Повнорозмірне зображення

Малюнок 4a є графіком мікрохвильової частоти F проти резонансних магнітних полів, B, витягнутих з малюнка 3. На малюнку 4a показано, що значення резонансу B для трьох зразків руйнуються у дві лінії: золоту лінію на малюнку 4. На малюнку 4a, що представляє високі резонанси B-резонансу на малюнку 3, показано лінійне збільшення як F (ГГц) = 27, 2 B (T), з координатами на початку. Наступний рядок, показаний фіолетовим кольором на малюнку 4a, який представляє резонанси низьких рівнів B на малюнку 3, показує лінійне збільшення як F (ГГц) = 10, 76 + 26, 9 B (T) з ненульовим перетином, F 0 = 10, 76 ГГц. На такому графіку слідував би спіновий резонанс для електрона з g-коефіцієнтом g e = 2.0023: F (ГГц) = 28.01 B (T). Спостережувані градієнти, dF/d B = 26,9 ± 0,4 ГГц T'1 (dF/d B = 27,2 ± 2,2 ГГц T1) для низького (високого) резонансу поля відповідають спіновим резонансам sg // = 1, 92 ± 0, 028 ( g // = 1, 94 ± 0, 014).

Повнорозмірне зображення

обговорення

Виміряні тут коефіцієнти g порівнянні зі значеннями g, отриманими в результаті традиційних досліджень ШОЕ на графіті, які припускають, що коефіцієнт g для

c -ось, збільшується з 2,05 при 300 К до 2, 15 при 77 К, тоді як при Т = 300 К коефіцієнт g дорівнює

Спостереження подібних подвійних резонансів у моношарах і тришарових графенах можна розглядати як наслідок укладання обертових (не AB) шарів в EG, що дозволяє навіть багатошаровим EG проявляти ті ж електронні властивості, що і ізольований графен 18. Зауважимо також, що відомо, що при високому рівні B в графені 40, 41, 42 відбувається виродження підрешітки або псевдоспіна. Наприклад, прогресування квантового ефекту Холла від послідовності R xy = [4 (N +1/2)] -1 h/e2 10, 11, 43 до спостереження σ xy збільшується на етапах e 2/h. (посилання 40), відображає висоту як спинової, так і псевдоспінової дегенерації. Крім того, нелінійне розщеплення з дегенерацією долини було відзначено в дослідженні скануючої тунельної спектроскопії 42. Нарешті, прояв WL, який спостерігається на фіг. 1 і 2, показник міжчастотного зв’язку в цих зразках 22. Оскільки розподіл субтильної решітки не є несподіваним із-за вищесказаного, спостережуваний F0 = 10,76 ГГц приписується псевдоспіну (дегенерація підрешітки) нульовим магнітним полем поділу AB = hFo = 44, 4 мкЕВ.

Попереднє тлумачення графіку F проти B на малюнку 4a показано на малюнку 4b. Хіральні власні стани та лінійна дисперсія енергетичних хвиль характеризують носії в графені. Застосування поля B номінально створює чотириразові, нижчі та спін-вироджені рівні Ландау, що характеризуються E N = ± ν F (2 eħBN) 1/2, де N = 0, 1, 2

, e - заряд електрона, ν F - швидкість Фермі, а ħ - зменшена постійна Планка.

Припустимо, що чотирикратна дегенерація підвищується hF 0 навіть при B = 0, утворюючи енергетичні дублети як E N '= E N ± hF 0/2. Потім, завдяки ефекту Зеемана, призначені рівні Ландау демонструють подальший розподіл спінової дегенерації як E N ″ = E N '± gμB/2. Спостережувані мікрохвильові переходи відбуваються в межах найвищого зайнятого рівня Ландау поблизу рівня Фермі. Оскільки EN >> hF 0/2 та gμB/2, ми видаляємо термін EN та графік E/h = (E N ″ - E N)/h на малюнку 4b.

Тут мікрохвильове фотозбудження індукує спін-фліп-переходи, представлені золотом, неспарених носіїв між рівнями обертання нижнього або верхнього дублету. Такі переходи вимагають нульової енергії фотонів у точці зникнення В. Навпаки, перехід між нижчим рівнем центрифугування ("вгору") нижнього дублета та вищим рівнем центрифугування ("вниз") верхнього дублета вимагає додаткової енергії hF 0 і такий перехід, показаний фіолетовим кольором, показує - поверхневу енергію фотона в межі B → 0. Таким чином, здається, що графік F проти B відповідає спіновому резонансу і псевдоспіну (виродження долини) з нульовим полем, що розщеплює посилений спіновий резонанс.

Підводячи підсумок, ми провели виявлення опору спінового резонансу в ЕГ, забезпечили вимірювання g-фактора та часу релаксації у спінах, і виявили - і виміряли - псевдо-спін (дегенерація долини), який розщеплювався за відсутності магнітного поля. луг. Таке виявлення резистивного резонансу може потенційно служити для безпосередньої характеристики спінових властивостей ферамів Дірака, а також може допомогти у визначенні - та налаштуванні - розподілу дегенерації долини для спінових КЯ.

методи

Зразки графену

ЕГ проводили термічним розкладанням ізолюючого 4H карбіду кремнію (SiC) 18. Зразки ЕГ охарактеризували еліпсометрією, а товщину витягнутого шару перетворили на кількість шарів зі швидкістю 0,335 нм на шар. C-поверхня чіпа EG/SiC оброблялася методом електронно-променевої літографії на мікрометровому стержні Холла з контактами Pd/Au. Виміри наведені тут для трьох зразків стержнів залу з маркуванням 1, 2 і 3. Зразок 1 номінально є тришаровим графеном, тоді як зразки 2 і 3 - одношаровим графеном. Зразки мають тип p з концентрацією дірок, p1010 13 см −2 та рухливістю носія μ ≈10 3 см 2 V −1 с −1 .

Конфігурація вимірювання

Зразок із залу EG, як правило, встановлювався в кінці довгої прямої ділянки прямокутного прямокутного хвилеводу WR-62. Зразок хвилеводу був вставлений в отвір надпровідного соленоїда, занурений у перекачуваний рідкий гелій і опромінений мікрохвилями в діапазоні частот 10 44. Тут було застосовано зовнішнє магнітне поле, орієнтоване вздовж осей соленоїда та хвилеводу, коли зондовий зв’язаний антенний тригер у хвилеводі збуджував поперечний електричний (TE-10) режим. Таким чином, мікрохвильове електричне поле було орієнтоване перпендикулярно прикладеному зовнішньому магнітному полю. Лінії НВЧ-магнітного поля утворювали замкнуті петлі з компонентами в поперечному та осьовому напрямку хвилеводу.

Детальніше

Як цитувати цю статтю: Мані, Р.Г. та ін. Спостереження спінового резонансу, виявленого опором, і псевдоспінового розщеплення нульового поля в графені. Нат. Комун. 3: 996 doi: 10, 1038/ncomms1986 (2012).

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватись наших Умов надання послуг та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте щось образливим або не відповідаєте нашим умовам чи інструкціям, позначте це як невідповідне.