Spin filtrering ved stuetemperatur med grafen

Et tværfagligt team af forskere ved U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har rapporteret den første demonstration af metallisk centrifugering ved stuetemperatur ved hjælp af ferromagnet-grafen-ferromagnet tyndfilmkrydsningsudstyr-spin er en grundlæggende egenskab ved elektroner, ud over gebyr, der kan bruges til at sende, behandle og opbevare data.

"Spinfiltreringen var blevet teoretisk forudsagt og tidligere kun set for strukturer med høj modstand ved kryogene temperaturer, " sagde Dr. Enrique Cobas, ledende efterforsker, NRL Afdeling for materialevidenskab og teknologi. "De nye resultater bekræfter, at effekten virker ved stuetemperatur med meget lav modstand i arrays af flere enheder."

Tyndfilmsforbindelserne viste lav modstand, og magnetoresistansen karakteristisk for et spinfilterinterface fra kryogene temperaturer til stuetemperatur. Forskerholdet udviklede også en enhedsmodel til at inkorporere den forudsagte spin-filtrering ved eksplicit at behandle en metallisk minoritetsspinkanal med spinstrømkonvertering, og bestemte, at spinpolarisationen var mindst 80 procent i grafenlaget.

"Graphene er berømt for sine ekstraordinære in-plane egenskaber, men vi ønskede at se på ledningsevnen mellem stablede grafenplader, og hvordan de interagerer med andre materialer, sagde Cobas. For at gøre det, NRL-forskere udviklede en opskrift til at dyrke store flerlags grafenfilm direkte på en glat, krystallinsk nikkellegeringsfilm, mens filmens magnetiske egenskaber bevares, derefter mønstrede filmen til arrays af krydsfeltkryds. "Vi ønskede også at vise, at vi kunne producere disse enheder med standard industriværktøjer, ikke bare lave én enhed, " tilføjede Cobas.

Spin-filtreringsfænomenet skyldes en vekselvirkning mellem grafens kvantemekaniske egenskaber og en krystallinsk nikkelfilm. Når nikkel- og grafenstrukturerne er på linje, kun elektroner med et spin kan let passere fra det ene materiale til det andet, en effekt kaldet centrifugering, hvilket resulterer i spinpolarisering af en elektrisk strøm.

"Der er plads til forbedring, da teori antyder, at effekten kan øges med en størrelsesorden ved at finjustere antallet af grafenlag, "sagde Dr. Olaf van 't Erve, forsker, NRL Materials Science and Technology Division. "Imidlertid, nuværende modeller inkluderer ikke den spin-konvertering, der sker inde i de ferromagnetiske kontakter. Når vi har redegjort for disse effekter, vi er allerede tæt på det ideelle tilfælde af 100 procent spinpolarisering i grafenlaget, gør det muligt for os at revidere vores enhedsgeometri og materialer for at maksimere effekten."

Resultatet er relevant for næste generation af ikke-flygtig magnetisk tilfældig adgangshukommelse (MRAM), som bruger spin-polariserede impulser til at vende en magnetisk bit fra 0 til 1 og omvendt. Det kan også finde anvendelse i fremtidige spinlogikteknologier eller som magnetiske sensorer.