Grafen lagdelt med magnetiske materialer kunne drive ultratynd spintronik

Forskere, der arbejder ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), koblede grafen, en enkeltlagsform af kulstof, med tynde lag af magnetiske materialer som kobolt og nikkel til at producere eksotisk adfærd i elektroner, der kunne være nyttige til næste generations computerapplikationer.

Arbejdet blev udført i samarbejde med franske videnskabsmænd, herunder nobelpristageren Albert Fert, emeritus professor ved Paris-Sud Universitet og videnskabelig leder for et forskningslaboratorium i Frankrig. Holdet udførte nøglemålinger på Berkeley Labs Molecular Foundry, en DOE Office of Science User Facility med fokus på nanovidenskabsforskning.

Fert delte Nobelprisen i fysik i 2007 for sit arbejde med at forstå en magnetisk effekt i flerlagsmaterialer, der førte til ny teknologi til at læse data på harddiske, for eksempel, og gav anledning til et nyt felt, der studerer, hvordan man udnytter og kontrollerer en fundamental egenskab kendt som "spin" i elektroner for at drive en ny type lavenergi, højhastighedscomputers hukommelse og logik teknologi kendt som spintronics.

I dette seneste værk, offentliggjort online 28. maj i tidsskriftet Naturmaterialer , forskerholdet viste, hvordan denne spin-egenskab – analogt med en kompasnål, der kan indstilles til at vende enten mod nord eller syd – påvirkes af interaktionen mellem grafen og de magnetiske lag.

Forskerne fandt ud af, at materialets elektroniske og magnetiske egenskaber skaber små hvirvlende mønstre, hvor lagene mødes, og denne effekt giver videnskabsmænd håb om at kontrollere retningen af ​​disse hvirvler og udnytte denne effekt til en form for spintronik-applikationer kendt som "spin-orbitronics" i ultratynde materialer. Det ultimative mål er hurtigt og effektivt at gemme og manipulere data i meget lille skala, og uden den varmeopbygning, der er et almindeligt hikke ved miniaturisering af computerenheder.

Typisk, forskere, der arbejder med at producere denne adfærd for elektroner i materialer, har koblet tunge og dyre metaller som platin og tantal med magnetiske materialer for at opnå sådanne effekter, men grafen tilbyder et potentielt revolutionerende alternativ, da det er ultratyndt, letvægts, har meget høj elektrisk ledningsevne, og kan også tjene som et beskyttende lag for korrosionsudsatte magnetiske materialer.

"Du kunne tænke på at udskifte computerharddiske med alle solid state-enheder - ingen bevægelige dele - ved at bruge elektriske signaler alene, sagde Andreas Schmid, en stabsforsker ved Molecular Foundry, der deltog i forskningen. "En del af målet er at få lavere strømforbrug og ikke-flygtig datalagring."

Den seneste forskning repræsenterer et tidligt skridt mod dette mål, Schmid bemærkede, og et næste skridt er at kontrollere nanoskala magnetiske funktioner, kaldet skyrmioner, som kan udvise en egenskab kendt som chiralitet, der får dem til at hvirvle i enten urets eller mod urets retning.

I mere konventionelle lagdelte materialer, elektroner, der rejser gennem materialerne, kan fungere som en "elektronvind", der ændrer magnetiske strukturer som en bunke blade blæst af en stærk vind, sagde Schmid.

Men med det nye grafen-lagsmateriale, dens stærke elektronspin-effekter kan drive magnetiske teksturer af modsat chiralitet i forskellige retninger som et resultat af "spin Hall-effekten, " som forklarer, hvordan elektriske strømme kan påvirke spin og omvendt. Hvis den chiralitet kan justeres universelt på tværs af et materiale og vendes på en kontrolleret måde, forskere kunne bruge det til at behandle data.

"Beregninger fra andre teammedlemmer viser, at hvis du tager forskellige magnetiske materialer og grafen og bygger en flerlags stak af mange gentagne strukturer, så kan dette fænomen og denne effekt muligvis forstærkes meget kraftigt, " sagde Schmid.

For at måle det lagdelte materiale, forskere anvendte spin-polariseret lavenergi-elektronmikroskopi (SPLEEM) ved hjælp af et instrument på Molecular Foundry's National Center for Electron Microscopy. Det er et af blot en håndfuld specialiserede enheder rundt om i verden, der gør det muligt for forskere at kombinere forskellige billeder for i det væsentlige at kortlægge orienteringen af ​​en prøves 3-D magnetiseringsprofil (eller vektor), afslører dens "spin-teksturer."

Forskerholdet skabte også prøverne ved hjælp af det samme SPLEEM-instrument gennem en præcis proces kendt som molekylær stråleepitaxi, og separat studerede prøverne ved hjælp af andre former for elektronstrålesonderingsteknikker.

Gong Chen, en medlederforfatter, der deltog i undersøgelsen som postdoktor ved Molecular Foundry og nu er assisterende projektforsker ved UC Davis Physics Department, sagde, at samarbejdet udsprang af en diskussion med franske videnskabsmænd på en konference i 2016 - begge grupper havde uafhængigt arbejdet på lignende forskning og indset synergien ved at arbejde sammen.

Mens de effekter, som forskere nu har observeret i de seneste eksperimenter, var blevet diskuteret for årtier siden i tidligere tidsskriftsartikler, Chen bemærkede, at konceptet med at bruge et atomisk tyndt materiale som grafen i stedet for tunge elementer til at generere disse effekter var et nyt koncept.

"Det er først for nylig blevet et varmt emne, " sagde Chen. "Denne effekt i tynde film var blevet ignoreret i lang tid. Denne type flerlagsstabling er virkelig stabil og robust."

Brug af skyrmioner kan være revolutionerende til databehandling, han sagde, fordi information potentielt kan lagres i meget højere densiteter end det er muligt med konventionelle teknologier, og med meget lavere strømforbrug.

Molecular Foundry-forskere arbejder nu på at danne det grafen-magnetiske flerlagsmateriale på en isolator eller halvleder for at bringe det tættere på potentielle anvendelser, sagde Schmid.