半導(dǎo)體所通過扭曲石墨烯成功誘導(dǎo)贋磁場和谷電流

石墨烯電子結(jié)構(gòu)最重要的特點(diǎn)之一是具有被稱為“谷”(valley)自旋的二重自由度。如何在石墨烯體系中實(shí)現(xiàn)“谷”自旋極化流一直是近些年石墨烯基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一個重要目標(biāo)。人們期望對“谷”自旋自由度進(jìn)行量子操控，使之能應(yīng)用于未來的信息技術(shù)。

近來人們發(fā)現(xiàn)石墨烯中非均勻的力學(xué)應(yīng)變可以誘導(dǎo)出贋磁場，該磁場在兩個能谷K和K"，大小相等但方向相反。實(shí)驗(yàn)上人們已經(jīng)證明該贋磁場可達(dá)300T，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前人類在實(shí)驗(yàn)室所能實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)恒磁場(約為45T)。因此，如何在石墨烯中產(chǎn)生非均勻應(yīng)變，進(jìn)而產(chǎn)生設(shè)計(jì)的贋磁場并實(shí)現(xiàn)“谷”自旋的操控是近年來石墨烯研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員常凱和北京計(jì)算科學(xué)研究中心張東波博士最近合作提出了一個全新的方案—扭曲石墨烯條帶。該方案提出將石墨烯轉(zhuǎn)移或沉積于柔性襯底上，通過扭曲柔性襯底以產(chǎn)生一個非均勻的應(yīng)變場，從而引致一個非均勻磁場。他們首次利用DFTB方法計(jì)算寬度達(dá)100納米的石墨烯條帶的電子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)無論是鋸齒邊還是扶手椅邊的納米條帶，都存在贋磁場引致的邊緣態(tài)。這類邊緣態(tài)不依賴于邊界的形狀，而且是純“谷”邊緣態(tài)，即K谷電子流向一個方向，則K"谷流向相反方向。兩邊邊界的谷電流方向相反。同時在扭曲石墨烯中心發(fā)現(xiàn)蛇形軌道(snake orbit)的存在。令人驚訝的是，通過較小的力學(xué)扭曲(約為60度)，可以在石墨烯條帶中產(chǎn)生高達(dá)180T的穩(wěn)恒磁場。

文章發(fā)表在《物理評論快報》上(D. B. Zhang, G. Seifert and Kai Chang*, Strain induced pseudo magnetic field in twisted graphene nanoribbon, Physical Review Letters 112，096805 (2014))。

扭曲石墨烯納米帶中應(yīng)變引致的贋磁場