二维材料自旋电子学及其应用
二维材料自旋电子学(spintronics)是一种新兴的材料学研究领域，它研究二维材料中电子磁性的物理机制。它聚焦于二维材料，特别是半导体材料，研究其中的电子磁性特性，以及电子磁性对材料性能的影响。二维材料自旋电子学的研究包括研究材料的自旋电子结构，自旋电子动力学，自旋电子应力，以及自旋电子与光子、声子等粒子的相互作用。它的研究成果可以用来设计和开发新型的自旋电子器件，并为计算机存储技术提供新的可能性。电子具有电荷和自旋两个自由度，以往用的都是电荷这一自由度。自旋电子器件基于电子自旋进行信息的传递、处理与存储，自旋电子器件相比于微电子器件，具有非易失性(non-volatility)、存储密度高、能耗低、响应快等多种优点，能成功解决摩尔定律的时效性。
二维材料spintronics是研究二维材料（如石墨烯、TMDCs等）在自旋电子学应用中的研究方向。其中，自旋电子学是研究电子自旋状态对电子学性质的影响的学科。 二维材料具有独特的电学性质，如高电导率和高载流子活性等，这使得它们成为了自旋电子学研究的重要材料。例如，石墨烯具有高载流子活性和高电导率，可用于构建高性能的自旋电子元件，如自旋晶体管和自旋电子放大器。 二维材料spintronics研究的目标是开发出具有高性能和低能耗的自旋电子元件，以满足未来电子学应用的需求。这需要研究二维材料的自旋特性，并开发出新的制备和控制技术。例如，研究如何在二维材料中控制和调控自旋状态，以及如何在二维材料中构建自旋元件。
总之，二维材料spintronics是一个具有挑战性和前沿性的研究方向，它将有力地推动自旋电子学的发展，并为未来电子学应用提供新的解决方案。1990年，Datta和A.Das提出来了自旋场效应晶体管(两边的自旋注入端(Source)和自旋探测端(Drain)是铁磁材料，并且具有相同的磁化方向。中间通道通常为半导体异质结，其中的结构反演不对称(Rashba)自旋轨道耦合可以由门电压VG来调节，入射的电子自旋会绕着自旋轨道耦合所建立的有效磁场作进动，电流会根据电子进动情况而变化(如图所示)。但能够放大自旋信号的自旋极化晶体管(或场效应管)实验上还没有成功的演示，目前仍处于很大的挑战之中。我们的研究目标便是旨在实现自旋场效应晶体管，推动自旋电子学的发展和创新。
图一：自旋场效应晶体管模型。上面一行表示进动周期远大于电子飞行时间，自旋仍沿入射方向，通过的电流很大;下面一行表示进动周期较小，如果刚好使得自旋反向的话，通过的电流就很小。
我们科研组在自旋电子学方面的主要研究内容是将其与新型二维材料结合起来。由于二维材料自旋弛豫时间长，自旋扩散距离长等优点(如石墨烯)，比基于传统金属材料和半导体材料的自旋电子学更具优势。而且使用不同的二维材料可以组成异质结结构，会出现很多新颖的特性。如Graphene/TMDC异质结，由于TMDC的强自旋轨道耦合作用，会发生自旋相关的散射(如图所示)，这可以很好的弥补石墨烯无磁矩，无法操控电子自旋的问题。
图片来源：Roche S , Johan Åkerman, Beschoten B , et al. 2d Materials, 2018, 2:030202.
Spin-orbitronics in graphene and related 2D heterostructures
我们的研究目标旨在拓展自旋材料的备选范围，通过先进的微纳加工工艺和材料改性手段，制备石墨烯人工周期结构和新型二维材料的自旋量子器件，探测石墨烯纳米结构和黑磷的自旋输运特性，探索并揭示其自旋弛豫机制；有望实现石墨烯纳米结构和黑磷自旋场效应晶体管。通过以上研究，能澄清新型二维晶体材料的自旋弛豫机制，建立超快自旋动力学和瞬态量子输运的理论，为新的二维材料的自旋电子器件的应用奠定基础，推动自旋电子学的发展和创新，具有重要的科学意义。