石墨中室温下超长 100 ns 自旋弛豫时间

石墨已被深入研究，然而即使在首次实验过去 70 年后，其电子自旋动力学仍是一个未解决的问题。纵向（$T_1$）与横向（$T_2$）弛豫时间这两个核心量曾被假定相等，与标准金属类似，但石墨的 $T_1$ 从未被测量过。此处，基于包含自旋轨道耦合的详细能带结构计算，我们预测了弛豫时间的反常行为。基于饱和 ESR 测量，我们发现 $T_1$ 明显不同于 $T_2$。以垂直于石墨烯平面的极化注入的自旋，在室温下具有 100 ns 的极长寿命。这比最优石墨烯样品长十倍。因此，石墨平面内的自旋扩散长度预计为超长，约达 $\sim 70~\mu$m 量级，表明石墨薄膜——或多层 AB 堆垛石墨烯——可作为兼容二维范德瓦耳斯技术的自旋电子学应用的优良平台。最后，我们基于密度泛函理论计算所得的石墨中布洛赫态的各向异性自旋混合，对所观测到的自旋弛豫给出了定性解释。