Dobbelt lag grafen hjælper med at kontrollere spinstrømme

For at lave transistorer, der fungerer ved hjælp af elektronernes spin i stedet for deres ladning, det er nødvendigt at finde en måde at slå spinstrømme til og fra. Desuden, levetiden af ​​spins bør mindst være lig med den tid, det tager for disse elektroner at rejse gennem et kredsløb. Forskere fra University of Groningen har nu taget et vigtigt skridt fremad ved at skabe en enhed, der opfylder begge disse krav, baseret på et dobbelt lag grafen oven på et lag af wolframdisulfid. Deres resultater er blevet offentliggjort den 16. oktober i tidsskriftet Fysisk gennemgang B .

grafen, en todimensionel form for kulstof, er en fremragende leder af elektronspin. Imidlertid, det er svært at manipulere spinstrømme i dette materiale. Spin er en kvantemekanisk egenskab ved elektroner, hvilket får dem til at opføre sig som små magneter. Physics of Nanodevices-gruppen ved University of Groningen, ledet af professor Bart van Wees, arbejder på dette problem. De har tidligere vist, at det er muligt at styre spinstrømme, hvis grafenen placeres oven på et lag af wolframdisulfid (et andet 2-D materiale).

Ny teknik

"Imidlertid, denne tilgang reducerer levetiden af ​​spins, " forklarer Siddhartha Omar, en postdoc i Van Wees-gruppen. Wolfram er et metal, og dets atomer påvirker elektronerne, der passerer gennem grafen, sprede spin-strømmene. Dette fik Omar til at bruge et dobbelt lag grafen på wolframdisulfiden, baseret på teorien om, at elektroner, der passerer gennem det øverste lag, skulle 'føle' mindre af metalatomernes indflydelse.

Omar brugte også en anden ny teknik, hvor to forskellige typer spinstrøm føres gennem grafenen. Spin er et magnetisk moment, der har en given retning. I normale materialer, spins er ikke justeret. Imidlertid, det magnetiske moment af spinstrømme - ligesom magneters - har en foretrukken justering. I forhold til det materiale, som elektronerne passerer igennem, deres spins kan enten have en in-plan-orientering eller en out-of-plan-orientering.

Energiniveau

"Vi fandt ud af, at når elektronerne passerer gennem det ydre grafenlag, spins i flyet forsvinder meget hurtigt - på blot picosekunder. Imidlertid, levetiden for spins uden for planet er omkring hundrede gange længere." Det betyder, at selv i nærvær af wolframdisulfid, en komponent af spinstrømme (spin med en ud-af-plan-orientering) kan bevæge sig langt nok til at blive brugt i enheder såsom transistorer.

Energiniveauet af spinstrømmene observeret af Omar fik dem til at passere gennem det øverste lag af grafen. Dette energiniveau kan øges ved at anvende et elektrisk felt, skubbe spin-strømmene ind i det nederste lag. "Dernede, spindene vil mærke den fulde effekt af metalatomerne, og spin-strømmene vil hurtigt forsvinde, " Omar forklarer. Denne evne til at slukke for spinstrømmen ved hjælp af et elektrisk felt er vigtig, da den kunne bruges til at 'gate' transistorer baseret på denne teknologi.

"Desværre, visse tekniske begrænsninger af det underlag, som vi byggede disse enheder på, forhindrer os i at skabe elektriske felter, der er stærke nok til at producere denne gating-effekt, " siger Omar. "Men vi har vist, at det er muligt at sende spinstrømme gennem en heterostruktur lavet af grafen og wolframdisulfid. Det er et vigtigt skridt hen imod skabelsen af ​​en spin-transistor."