泛的基于自旋的效應，在凝聚態物理中發揮著基礎作用[1-3]。石墨烯中較長的自旋擴散長度使其成為自旋傳輸的理想平臺，但其固有的弱SOC限制了直接的自旋操控[4]。現在，Juan Sierra及其同事在《自然·材料》上報道了由PdSe2鄰近效應誘導的石墨烯中高度各向異性的面內自旋動力學[5]。他們證明，具有特殊面內各向異性的五邊形PdSe2誘導出柵極可調的SOC，從而在室溫下實現了石墨烯中自旋壽命的十倍調制。
鄰近效應允許材料在不直接化學修飾的情況下繼承相鄰層的特性[6]。在二維范德瓦爾斯異質結構中，由于原子尺度的相互作用，這些效應可能變得特別顯著，從而能夠以塊體材料無法實現的方式探索SOC和磁性[7]。最先進的石墨烯自旋電子器件通常利用2H過渡金屬二硫屬化物（TMDCs）的鄰近誘導SOC[8]。這些材料引入了谷-塞曼型和Rashba型SOC，但由于其C3對稱性保持了面內各向同性，從而限制了對自旋弛豫的控制。相比之下，五邊形層狀材料PdSe2缺乏這種對稱性，導致石墨烯中出現強烈的面內各向異性SOC[9]。
.png)
圖1 | 用于各向異性自旋輸運的石墨烯-PdSe2異質結構
示意圖顯示單層石墨烯自旋通道（黑色蜂窩晶格）與五邊形結構PdSe2（藍黃原子結構）的界面，該界面誘導出各向異性自旋-軌道耦合（SOC）。器件包含四個鐵磁電極（F1–F4；棕色）和兩個普通金屬接觸電極（深藍色）。自旋極化電流I從F1注入，通過石墨烯擴散后在F2檢測，同時通過測量非局部電壓Vnl來探測自旋弛豫。該裝置可用于研究鄰近效應調控的石墨烯中柵壓可調的各向異性自旋動力學。（根據文獻5改編，Springer Nature Limited授權）。
圖示解析
1、異質結結構特性
*五邊形PdSe2：其低對稱性界面破壞石墨烯的六方對稱性，導致SOC呈現方向依賴性（71°自旋極化）。
*鄰近效應：PdSe2通過界面耦合將強SOC傳遞給石墨烯，無需化學摻雜即實現自旋調控。
2、測量方法設計
|
測量方法設計組件 |
功能 |
|
鐵磁電極F1-F4 |
注入/檢測自旋極化電流，通過電極間距控制自旋擴散長度測量 |
|
非局部電壓Vnl |
消除電荷流干擾，純化自旋信號（ΔVnl∝自旋積累衰減） |
3、科學價值
· *首次在二維異質結中實現柵壓調控的自旋各向異性，為開發低功耗自旋器件提供新平臺。
· *通過非局部測量驗證了界面對稱性破缺對自旋弛豫的主導作用（與傳統體材料機制不同）。
石墨烯-PdSe2界面存在71°方向的持久自旋紋理，其與晶軸的非對齊性揭示了對稱性破缺對自旋弛豫的主導作用。扭曲角導致的任意自旋取向使傳統對稱性理論失效，需開發新計算方法。科學突破鄰近效應調控：通過界面耦合實現自旋-軌道耦合強度可調，為自旋電子器件設計提供新途徑拓撲關聯：觀測到的自旋紋理與1T′-MoTe2/WTe2拓撲絕緣體預測相似，暗示可通過鄰近效應間接利用PdSe2拓撲特性應用前景重點開發：多扭轉角實驗與理論聯合研究應變/柵壓調控自旋壽命技術基于鄰近效應的拓撲量子材料設計。
文獻創新點總結
1、界面對稱性破缺的實證創新
首次在石墨烯-PdSe2異質結構中實驗觀測到71°方向的持久自旋紋理，通過其與晶軸的非對齊性，揭示了二維材料界面對稱性破缺主導自旋弛豫的新機制（傳統理論僅關注體材料對稱性）。
2、鄰近效應調控范式的拓展
提出通過扭曲角調控界面耦合強度的方法，實現石墨烯自旋-軌道耦合（SOC）的連續可調，突破了傳統依賴材料本征SOC的限制，為人工設計自旋特性提供新工具。
3、拓撲物理的間接觀測路徑
發現石墨烯中的自旋紋理可間接反映PdSe2的拓撲特性（類比1T′-MoTe2/WTe2），繞過直接占據高能拓撲態的難題，為研究難以探測的拓撲材料開辟替代方案。
4、低對稱性體系的研究方法創新
針對界面低對稱性和大單胞特性，開發了結合多扭轉角實驗與改進DFT計算的研究框架，為類似復雜異質結構的分析建立范式。https://doi.org/10.1038/s41563-025-02231-9
轉自《石墨烯研究》公眾號
