Grafen dobbeltlag giver effektiv transport og kontrol af spins

University of Groningen fysikere i samarbejde med en teoretisk fysikgruppe fra Universität Regensburg har bygget en optimeret tolags grafenenhed, der viser både lange spin-levetider og elektrisk kontrollerbar spin-lifetime-anisotropi. Det har potentiale til praktiske anvendelser såsom spin-baserede logiske enheder. Resultaterne blev offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve den 20. september.

Miniaturisering af elementerne i computersystemer i løbet af de sidste 60 år har øget deres kapacitet, gør det muligt for dem at sprede sig til næsten alle aspekter af dagligdagen. Mikroprocessorer har nu nået skalaer under 100 atomer og nærmer sig fundamentale grænser. På grund af højere krav, der kræves nye koncepter, der kan give forbedrede funktionaliteter. I denne sammenhæng, forskere studerer brugen af ​​spin til transport og opbevaring af information. Spin er en kvantemekanisk egenskab ved elektroner, hvilket giver dem et magnetisk øjeblik, der kan bruges til at overføre eller gemme information. Området for spin-baseret elektronik (spintronics) har allerede fundet vej til computeres harddiske, og lover også at revolutionere behandlingsenheder.

Grafen er en fremragende leder af elektronspin, men det er svært at kontrollere spins i dette materiale på grund af deres svage interaktion med carbonatomerne (spin-kredsløbskoblingen). Tidligere arbejde fra University of Groningen Physics of Nanodevices gruppe ledet af professor Bart van Wees placerede grafen i umiddelbar nærhed af et overgangsmetal dichalcogenid, et lagdelt materiale med en høj iboende spin-orbit koblingsstyrke. Den høje spin-orbit koblingsstyrke blev overført til grafen via en kort rækkevidde interaktion ved grænsefladen. Dette gjorde det muligt at styre spin-strømmene, men kun på bekostning af reduceret centrifugeringsvarighed.

I den nye undersøgelse, det lykkedes forskerne at kontrollere spinstrømme i et grafen-dobbeltlag. "Dette blev faktisk forudsagt i et teoretisk papir i 2012, men teknologien til at måle effekten nøjagtigt blev først tilgængelig for nylig, " forklarer Christian Leutenantsmeyer, en ph.d. studerende i Van Wees-gruppen og førsteforfatter af PRL-papiret. Artiklen er et samarbejde mellem Van Wees-gruppen og en teoretisk fysikgruppe fra Universität Regensburg i Tyskland.

Papiret fra 2012 forudsagde anisotropisk spintransport i grafen-dobbeltlag som en konsekvens af spin-orbit-kobling i tolagsgrafen. Anisotropisk spintransport beskriver den situation, hvor spins, der peger enten ind eller ud af grafenplanet, udføres med forskellig effektivitet. Dette blev observeret i de anordninger, Leutenantsmeyer og hans kolleger producerede.

Spin-strømmen kunne også styres ved hjælp af spin-lifetime-anisotropi, da spin-in-plane-spin lever meget kortere end ud-af-planet, og kunne bruges i enheder til at polarisere spinstrømme. Leutenantsmeyer siger, "Vi fandt ud af, at styrkeanisotropien er sammenlignelig med grafen/overgangsmetal dichalcogenid-enheder, men vi observerede en 100 gange længere spin-levetid. Vi opnåede derfor både effektiv spintransport og effektiv kontrol af spins."

Værket giver indsigt i de grundlæggende egenskaber ved spin-orbit-kobling i tolagsgrafen. "Og desuden vores resultater åbner nye veje for effektiv elektrisk kontrol af spins i grafen af ​​høj kvalitet, en milepæl for grafen."