在凝聚态物理中，自旋轨道耦合（SOC）作为一种将电子自旋与其运动联系起来的相对论性相互作用，发挥着基础性作用，它使得一系列基于自旋的效应成为可能。石墨烯因其长自旋扩散长度，成为自旋传输的理想平台，但其本征SOC较弱，限制了自旋的直接 操控。近期，Juan Sierra及其同事在《自然·材料》上发表的研究报告指出，通过与五边形二硒化钯（PdSe₂）的邻近效应，石墨烯展现出了高度各向异性的面内自旋动力学特性。PdSe₂以其独特的面内各向异性，诱导出了一种可通过栅压调控的SOC，使得石墨烯在室 温下的自旋寿命实现了十倍的调制。
 
 
图1 | 用于各向异性自旋输运的石墨烯-PdSe₂异质结构。
由单层石墨烯自旋通道（黑色蜂窝状晶格）与五边形PdSe₂（蓝色和黄色原子结构）界面连接构成，该结构可诱导各向异性自旋轨道耦合（SOC）。此器件由四个铁磁电极（F1–F4；棕色）和两个正常金属接触点（深蓝色）组成。在F1处注入自旋极化电流I，电流在石墨烯中扩散，并在F2处被检测到，同时测量非局域电压Vnl以探测自旋弛豫。该装置使得能够研究邻近效应作用下的石墨烯中门控可调的各向异性自旋动力学。图改编自参考文献5，施普林格·自然集团。
解析
整体结构描述：
介绍了图1展示的是用于各向异性自旋输运的石墨烯 - PdSe₂异质结构。该结构由单层石墨烯自旋通道和五边形PdSe₂界面连接组成，这种组合能够诱导产生各向异性自旋轨道耦合（SOC）。自旋轨道耦合是一种相对论性相互作用，它将电子的自旋与其运动联系起来，在凝聚态物理中发挥着基础性作用。
器件组成：
器件包含四个铁磁电极（标记为F1 - F4，颜色为棕色）和两个正常金属接触点（颜色为深蓝色）。铁磁电极在自旋电子学器件中通常用于产生或检测自旋极化电流，正常金属接触点则用于与其他电路部分连接。
电流注入与检测：
自旋极化电流I在F1处注入，随后在石墨烯中扩散。扩散过程中，自旋极化电流的特性会受到各种因素影响，比如这里提到的由PdSe₂诱导产生的各向异性自旋轨道耦合。最终，电流在F2处被检测到。
非局域电压测量：
同时测量非局域电压Vnl，目的是探测自旋弛豫情况。自旋弛豫是指自旋极化状态随时间逐渐消失的过程，通过测量非局域电压可以获取关于自旋弛豫的信息，进而研究石墨烯中的自旋动力学特性。
研究意义：
        这种装置的设计使得研究人员能够研究邻近效应作用下的石墨烯中门控可调的各向异性自旋动力学。门控可调意味着可以通过施加门电压来改变石墨烯中的载流子密度等参数，从而调节自旋寿命的各向异性，这为动态操控自旋提供了途径，对于开发基于石墨烯的自旋电子学器件具有重要的潜在应用价值。
研究进一步证实，观察到的各向异性源于邻近SOC，而非自旋吸收到PdSe ₂中。通过比较不同PdSe₂厚度的石墨烯-PdSe₂器件，研究人员表明，即使材料间的电荷转移被抑制，自旋弛豫各向异性仍保持一致。这强烈暗示自旋动力学由界面效应而非直接载流子交换所主导，持久的自旋纹理稳定了特定方向上的自旋，同时增强了其他方向上的弛豫。
未来，结合密度泛函理论计算和跨一系列扭转角的实验研究，对于全面绘制石墨烯-PdSe₂中的自旋纹理景观至关重要。此外，开发通过应变工程或替代栅压方案来放大自旋寿命可调性的策略，可能增强 这些异质结构在自旋电子应用中的实际可行性。随着这些发展，邻近SOC工程可能为实现稳健的自旋逻辑器件和具有新兴拓扑性质的新型量子材料铺平道路。https://doi.org/10.1038/s41563-025-02231-9

转自《石墨烯研究》公众号