Forskere realiserer en spin-felteffekttransistor ved stuetemperatur

Et afgørende mål for forskning i spintronik er at manipulere elektronspin ved stuetemperatur sammenhængende ved hjælp af elektrisk strøm. Dette er særligt værdifuldt, da det ville muliggøre udviklingen af ​​adskillige enheder, inklusive spin felt-effekt transistorer.

I forsøg med konventionelle materialer, ingeniører og fysikere har indtil videre kun observeret sammenhængende spinprecession i det ballistiske regime og ved meget lave temperaturer. Todimensionel (2D materialer), imidlertid, har unikke egenskaber, der kunne give nye kontrolknapper til at manipulere spinprocession.

Forskere ved CIC nanoGUNE BRTA i Spanien og University of Regensburg i Tyskland har for nylig påvist spinprecession ved stuetemperatur i fravær af et magnetfelt i tolagsgrafen. I deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , de brugte 2D-materialer til at realisere en spin-felteffekttransistor.

"I vores gruppe, der er en lang tradition for at studere spintransport i flere materialer, såsom simple metaller, for eksempel, "Josep Ingla-Aynes, Franz Herling, Jaroslav Fabian, Luis E. Hueso og Felix Casanova, de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org via e-mail. "Vores hovedmål er at forstå, hvordan elektronens spin kan bære information, og hvordan denne grad af frihed kan hjælpe med at skabe enheder med nye funktionaliteter."

Grafen er blandt de materialer med de største spinafspændingslængder. Ikke desto mindre, at manipulere spins, når de rejser på grafen, kan være meget udfordrende og er indtil videre kun blevet opnået ved hjælp af eksterne magnetfelter, hvilket langt fra er ideelt til praktiske anvendelser.

For nylig, Ingla-Aynés og hans kolleger har undersøgt, hvordan heterostrukturer baseret på forskellige 2D-materialer, også kendt som van der Waals heterostrukturer, optræde i spintronics. Van der Waals heterostrukturer, er en klasse af grafen-baserede 2D-materialer med lag, der ikke er kemisk bundet.

"Vi har især udforsket strukturer, hvor et materiale med svag spin-orbit-kobling (såsom grafen) er stablet med et materiale med en stærk spin-orbit-kobling (såsom WSe ₂ ) og observerer eksperimentelt, hvordan denne spin-kredsløbskobling faktisk overføres til grafenen i nærheden, " forklarede forskerne. "Mere teknisk, ved at opnå et stærkt samspil mellem lagene, det er muligt at indprente en sådan effektiv spin-kredsløbskobling på grafenen (der fungerer som et effektivt magnetfelt), der kan vende spindene uden behov for at påføre et magnetfelt, og det er det, vi ønskede at gøre."

I stedet for at bruge et enkelt materiale, Ingla-Aynés og hans kolleger brugte en kombination af to materialer med forskellige væsentlige egenskaber. Det første af disse materialer er grafen, som har en svag spin-orbit-kobling og lang spinrelaksationslængde. Den anden er WSe ₂ , som har en stærk og anisotropisk spin-kredsløbskobling.

"Vi forberedte tolagsgrafen/WSe ₂ van der Waals heterostrukturer ved hjælp af en tør polymerbaseret stablingsteknik, " sagde forskerne. "Så, at fremme nærhed mellem lagene, vi udglødede vores prøver over 400 grader Celsius. For at måle spin transport, vi brugte ferromagnetiske elektroder, kombineret med magnetiske felter, giver os mulighed for at måle spins i og uden for planet, der bevæger sig på tværs af grafen/WSe ₂ kanal."

Ingla-Aynés og hans kolleger var i stand til at kontrollere spin-transporttiderne i det materiale, de brugte, ved at påføre dem et elektrisk felt i planet og en backgate-spænding. Dette muliggjorde i sidste ende den elektriske kontrol af spinprecession ved stuetemperatur, uden behov for at anvende et eksternt magnetfelt.

"Dette er blevet søgt af samfundet i årtier og udforsket mange forskellige materialer, men ingen havde succes, indtil nu, " sagde forskerne. "Dette fund har konsekvenser for anvendeligheden af ​​spintronics, da vores enhed fungerer som den længe eftertragtede Datta-Das spin transistor, som har været et af målene for spintronics, siden det først blev foreslået i 1990."

I deres papir, forskerne præsenterede den første spin-felteffekttransistor ved stuetemperatur ved hjælp af den spin-præcessionsstrategi, de udviklede. I fremtiden, deres arbejde kunne bane vejen mod den praktiske implementering af energieffektiv spin-baseret logik.

"Vores undersøgelse har også en grundlæggende konsekvens, da det giver værdifuld information om, hvordan spintransport påvirkes af spin-orbit-interaktionerne i grafen-baserede van der Waals heterostrukturer, " sagde forskerne. "I vores næste undersøgelser, vi planlægger at studere flere andre kombinationer af 2D-materialer, som vil give nye fysiske effekter relateret til spin-graden af ​​frihed."

© 2021 Science X Network