Grafen-switche:Holdet kommer til første base

Lige siden grafen først blev isoleret for et par år siden, dette kvasi-to-dimensionelle netværk, der består af et enkelt lag af kulstofatomer, er blevet betragtet som det magiske materiale. Ikke alene er grafen mekanisk meget modstandsdygtig, det giver også et interessant grundlag for nye spintroniske komponenter, der udnytter det magnetiske moment af ledningselektroner.

Nu, Helmholtz Center Berlins Dr. Andrei Varykhalov, Prof. Dr. Oliver Rader og hans team af fysikere har taget det første skridt mod at bygge grafenbaserede komponenter, i samarbejde med fysikere fra St. Petersborg (Rusland), Jülich (Tyskland) og Harvard (USA). Ifølge deres rapport den 27. november 2012 i Naturkommunikation , det lykkedes dem at øge grafenledningselektronernes spin-kredsløbskobling med en faktor på 10, 000 – nok til at de kan konstruere en switch, der kan styres via små elektriske felter.

Grafenlaget sidder på toppen af ​​et nikkelsubstrat, hvis atomer er adskilt med samme afstand som grafens sekskantede masker. Næste, fysikerne deponerede guldatomer på deres prøve, der endte med at ligge mellem grafen og nikkel.

Ved hjælp af forskellige fotoelektronspektrometre på HZB's eget BESSY II synkrotronstrålingsanlæg kunne forskerne måle ændringer i grafens elektroniske egenskaber. Ligesom jorden, elektroner har to vinkelmomenter:et orbitalt vinkelmoment, som giver dem mulighed for at kredse om atomkernen; og et spin svarende til en rotation om deres egne akser. En stærk spin-orbit kobling betyder altså en stor energetisk forskel alt efter om begge rotationer er rettet i samme eller modsatte retninger. I tilfælde af lettere kerner (som det er tilfældet for carbonatomer), interaktionen mellem spin og kredsløb er ret svag, hvorimod det i tilfælde af tungere atomer som guld er ret stærkt. "Vi kunne vise, at givet deres nærhed til grafenlaget, guldatomerne var også i stand til at øge dette samspil i grafenlaget med en faktor 10, 000, " forklarer Dmitry Marchenko, der tog målingerne som en del af sin ph.d.-forskning.

Ifølge Varykhalov, denne meget stærke spin-orbit-kobling ville gøre det muligt for forskerne at bygge en switch af slags, da spins nu kunne roteres ved hjælp af et elektrisk felt. To spin-filtre – et foran og et bagved komponenten – ville kun tolerere ensrettede spins. Hvis spin-filtrene var vinkelrette på hinanden, intet spin ville være i stand til at komme igennem længere, og kontakten ville effektivt blive slukket. Et elektrisk felt, imidlertid, ville rotere spins på en sådan måde, at den ville være i stand til – delvist eller helt – at skrue op for kontakten.

"Vi var i stand til at dokumentere, at kun elektroner i guldatomernes 5d orbitaler øger grafens spin-kredsløbsinteraktion. Dette er i overensstemmelse med vores teoretiske modeller, " forklarer Varykhalov. Ikke desto mindre, HZB-fysikerne har allerede deres næste udfordring skåret ud for sig selv:en grafenbaseret komponent, der sidder på en ikke-ledende overflade i stedet for nikkel, et metal. Ikke overraskende, de er allerede begyndt at arbejde på det.