半导体所通过扭曲石墨烯成功诱导贋磁场和谷电流

石墨烯电子结构最重要的特点之一是具有被称为“谷”(valley)自旋的二重自由度。如何在石墨烯体系中实现“谷”自旋极化流一直是近些年石墨烯基础研究领域的一个重要目标。人们期望对“谷”自旋自由度进行量子操控，使之能应用于未来的信息技术。

近来人们发现石墨烯中非均匀的力学应变可以诱导出贋磁场，该磁场在两个能谷K和K"，大小相等但方向相反。实验上人们已经证明该贋磁场可达300T，远远超过目前人类在实验室所能实现的稳恒磁场(约为45T)。因此，如何在石墨烯中产生非均匀应变，进而产生设计的贋磁场并实现“谷”自旋的操控是近年来石墨烯研究领域的热点问题。中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室研究员常凯和北京计算科学研究中心张东波博士最近合作提出了一个全新的方案—扭曲石墨烯条带。该方案提出将石墨烯转移或沉积于柔性衬底上，通过扭曲柔性衬底以产生一个非均匀的应变场，从而引致一个非均匀磁场。他们首次利用DFTB方法计算宽度达100纳米的石墨烯条带的电子结构，发现无论是锯齿边还是扶手椅边的纳米条带，都存在贋磁场引致的边缘态。这类边缘态不依赖于边界的形状，而且是纯“谷”边缘态，即K谷电子流向一个方向，则K"谷流向相反方向。两边边界的谷电流方向相反。同时在扭曲石墨烯中心发现蛇形轨道(snake orbit)的存在。令人惊讶的是，通过较小的力学扭曲(约为60度)，可以在石墨烯条带中产生高达180T的稳恒磁场。

文章发表在《物理评论快报》上(D. B. Zhang, G. Seifert and Kai Chang*, Strain induced pseudo magnetic field in twisted graphene nanoribbon, Physical Review Letters 112，096805 (2014))。

扭曲石墨烯纳米带中应变引致的贋磁场