日前，復旦大學物理系張遠波教授課題組與合作者的論文《雙層石墨烯中的可控谷自旋輸運》（Gate-tunable Topological Valley Transport in Bilayer Graphene）在國際權威期刊《自然物理學》在線發表。論文詳細介紹了課題組的最新研究成果在雙層石墨烯中通過柵極電壓調控谷自旋輸運，第一作者為我校物理系校友眭孟喬。

理論上的深入：石墨烯中的電子自旋與準自旋

石墨烯（Graphene）是由單層碳原子組成的二維晶體。2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈蓋姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯優異的導電性、導熱性以及機械性能使其具有廣闊的應用前景，其特殊的物理性質也為研究者進行基礎物理研究提供了平臺。此次張遠波教授課題組觀測到的谷自旋的輸運行為也是利用了雙層石墨烯的空間反演對稱性能夠由垂直電場控制這一特點進行探索的。

張遠波教授介紹，雙層石墨烯和單層石墨烯中的電子不僅僅具有自旋自由度，其六角晶格還保證石墨烯中存在另外一個自由度叫做準自旋。電子的自旋是電子除了電荷以外的另一個特性，其狀態由自旋向上和自旋向下兩種自旋態相疊加描述。而石墨烯中由于其六角晶格具有AB兩套格子，電子的波函數由AB兩套格子的波函數疊加而成，其數學形式與電子自旋波函數相同，因此稱其為準自旋。在石墨烯中準自旋與其動量空間中的能谷息息相關，因此又稱為谷自旋。

天然的石墨烯中，由于空間反演對稱性保護，無法觀測到準自旋相關的現象，但在破壞系統的空間反演對稱性后，就有可能在石墨烯中產生與電流類似的準自旋流，從而在實驗上被探測到。

準自旋流和電流存在著顯著的差別。電器使用一段時間后會發熱，這其實就是電流在傳輸的過程中產生的能量耗散。然而準自旋流在傳輸過程中的能量耗散很小，如果用于信息的處理，將會極大地節約能量，提高能量利用效率。

實驗上的突破：實現準自旋的調控

a為樣品結構的頂視圖 b為截面圖

雙層和單層石墨烯中準自旋流這一概念于2007年由肖笛、姚望和牛謙提出，肖笛和姚望也是這次發表的論文的合作者。張遠波教授所帶領的團隊在實驗上取得了突破，實現了雙層石墨烯中準自旋的調控。據論文第一作者，現工作于牛津儀器的我校物理系校友眭孟喬介紹，雖然在單層和雙層石墨烯中均可以觀測到谷自旋的輸運，但是破壞單層石墨烯的空間反演對稱性要求破壞AB格子的對稱性，難度極大且難以調控。因此他們在實驗中利用頂柵和背柵的柵極電壓建立垂直的電場，破壞了雙層石墨烯的空間反演對稱性，通過非局域的電學測量方法實現了對谷自旋的探測，并且最終實現了可由外電場調控的谷自旋信號觀測。

在不同柵極電壓下樣品電阻（藍色）隨外電場變化，同時觀測到的谷自旋信號（橙色）也受到了調制

談到研究的過程，張遠波教授表示：整個研究大約持續了兩年多時間，過程中出現了許多難題，如實驗樣品的制造以及準自旋流傳輸信號的測量等等。然而課題組最終還是克服了這些困難，成功觀測到了實驗現象。據他介紹，日本東京大學Tarucha教授帶領的科研小組也在大約同一時間在網上公布了類似的研究結果。

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