Forskere opretter fuldt elektroniske 2-D spin-transistorer

Fysikere fra University of Groningen konstruerede en todimensionel spin-transistor, hvor spinstrømme blev genereret af en elektrisk strøm gennem grafen. Et monolag af et overgangsmetaldichalcogenid (TMD) blev anbragt oven på grafen for at fremkalde ladning-til-spin-konvertering i grafen. Denne eksperimentelle observation blev beskrevet i nummeret af tidsskriftet Nano bogstaver offentliggjort den 11. september 2019.

Spintronics er en attraktiv alternativ måde at skabe elektroniske enheder med lav effekt på. Det er ikke baseret på en ladestrøm, men på en strøm af elektronspins. Spin er en kvantemekanisk egenskab ved en elektron, et magnetisk moment, der kan bruges til at overføre eller gemme oplysninger.

Heterostruktur

Graphene, en 2-D form af kulstof, er en fremragende spin -transportør. Imidlertid, for at oprette eller manipulere spins, dets elektroners interaktion med atomkernerne er nødvendig:spin-kredsløbskobling. Denne interaktion er meget svag i kulstof, gør det svært at generere eller manipulere spin -strømme i grafen. Imidlertid, det er blevet vist, at spin-orbit-kobling i grafen vil stige, når et enkeltlag af et materiale med tungere atomer (f.eks. en TMD) placeres oven på, at skabe en Van der Waals heterostruktur.

I gruppen Physics of Nanodevices, ledet af professor Bart van Wees ved University of Groningen, Ph.d. studerende Talieh Ghiasi og postdoktorforsker Alexey Kaverzin skabte en sådan heterostruktur. Ved hjælp af guldelektroder, de var i stand til at sende en ren ladestrøm gennem grafenet og generere en centrifugeringsstrøm, kaldet Rashba-Edelstein-effekten. Dette sker på grund af interaktionen med de tunge atomer i TMD -monolaget (i dette tilfælde wolframdisulfid). Denne velkendte effekt blev observeret for første gang i grafen, der var i nærheden af ​​andre 2-D-materialer.

Symmetrier

"Ladestrømmen inducerer en centrifugeringsstrøm i grafen, som vi kunne måle med spin-selektive ferromagnetiske koboltelektroder, "siger Ghiasi. Denne ladning-til-spin-konvertering gør det muligt at bygge helt elektriske spin-kredsløb med grafen. Tidligere har centrifugeringerne skulle injiceres gennem en ferromagnet. "Vi har også vist, at effektiviteten af ​​genereringen af ​​spin -akkumulering kan indstilles ved anvendelse af et elektrisk felt, "tilføjer Ghiasi. Det betyder, at de har bygget en spin -transistor, hvor spin -strømmen kan slås til og fra.

Rashba-Edelstein-effekten er ikke den eneste effekt, der producerer en spin-strøm. Undersøgelsen viser, at Spin-Hall-effekten gør det samme, men at disse spins er orienteret forskelligt. "Når vi anvender et magnetfelt, vi får spinnene til at rotere i feltet. Forskellige symmetrier af spinsignalerne, der genereres af de to effekter i interaktion med magnetfeltet, hjælper os med at adskille bidraget fra hver effekt i et system, "forklarer Ghiasi. Det var også første gang, at begge typer af ladning-til-spin-konverteringsmekanismer blev observeret i det samme system." Dette vil hjælpe os med at få mere grundlæggende indsigt i arten af ​​spin-orbit-kobling i disse heterostrukturer. "

Flagens flagskib

Bortset fra den grundlæggende indsigt, som undersøgelsen kan give, opbygning af en helelektrisk 2-D-spin-transistor (uden ferromagneter) har stor betydning for spintronic-applikationer, hvilket også er et mål for EU Graphene Flagship. "Dette er især rigtigt, fordi vi var i stand til at se effekten ved stuetemperatur. Spinsignalet faldt med stigende temperatur, men var stadig meget til stede under omgivende forhold."