Grafen og 2-D-materialer kunne flytte elektronik ud over Moores lov

Et team af forskere baseret i Manchester, Holland, Singapore, Spanien, Schweiz og USA har offentliggjort en ny anmeldelse om et område inden for udvikling af computerenheder kendt som spintronics, som kunne se grafen bruges som byggesten til næste generations elektronik.

Nylige teoretiske og eksperimentelle fremskridt og fænomener inden for studier af elektronisk spintransport i grafen og relaterede todimensionelle (2-D) materialer er dukket op som et fascinerende område for forskning og udvikling.

Spintronics er kombinationen af ​​elektronik og magnetisme, på nanoskala og kan føre til næste generation af højhastighedselektronik. Spintroniske enheder er et levedygtigt alternativ til nanoelektronik ud over Moores lov, tilbyder højere energieffektivitet og lavere spild sammenlignet med konventionel elektronik, som er afhængig af ladestrømme. I princippet kunne vi have telefoner og tablets, der opererer med spin-baserede transistorer og hukommelser.

Som offentliggjort i dag i APS Journal Gennemgang af moderne fysik , gennemgangen fokuserer på de nye perspektiver, som heterostrukturer og deres nye fænomener giver, herunder nærhedsaktiverede spin-orbit effekter, kobling af spin til lys, elektrisk afstemning og 2-D magnetisme.

Den gennemsnitlige person støder allerede på spintronics i bærbare computere og pc'er, som allerede bruger spintronik i form af de magnetiske sensorer i læsehovederne på harddiske. Disse sensorer bruges også i bilindustrien.

Spintronics er en ny tilgang til at udvikle elektronik, hvor både hukommelsesenheder (RAM) og logiske enheder (transistorer) implementeres ved brug af 'spin', som er den grundlæggende egenskab ved elektroner, der får dem til at opføre sig som små magneter, samt den elektroniske opladning.

Dr. Ivan Vera Marun, Underviser i fysik af kondenseret stof ved University of Manchester sagde:"De kontinuerlige fremskridt inden for grafenspintronik, og mere bredt i 2-D heterostrukturer, har resulteret i en effektiv skabelse, transportere, og påvisning af spin-information ved hjælp af effekter, der tidligere var utilgængelige for grafen alene.

"Efterhånden som indsatsen på både de grundlæggende og teknologiske aspekter fortsætter, vi mener, at ballistisk spintransport vil blive realiseret i 2-D heterostrukturer, selv ved stuetemperatur. En sådan transport ville muliggøre praktisk brug af de kvantemekaniske egenskaber af elektronbølgefunktioner, at bringe spins i 2-D-materialer til brug for fremtidige kvanteberegningsmetoder."

Kontrolleret spintransport i grafen og andre todimensionelle materialer er blevet mere og mere lovende til anvendelser i enheder. Af særlig interesse er skræddersyede heterostrukturer, kendt som van der Waals heterostrukturer, der består af stakke af todimensionelle materialer i en præcist kontrolleret rækkefølge. Denne gennemgang giver et overblik over dette udviklingsfelt inden for grafen-spintronik og skitserer den eksperimentelle og teoretiske teknikkens stade.

Milliarder af spintronics-enheder såsom sensorer og hukommelser bliver allerede produceret. Hver harddisk har en magnetisk sensor, der bruger et flow af spins, og magnetic random access memory (MRAM) chips bliver stadig mere populære.

I løbet af det sidste årti, spændende resultater er blevet opnået inden for grafen-spintronik, udvikler sig til en næste generation af undersøgelser, der udvider til nye todimensionelle (2-D) forbindelser.

Siden dens isolation i 2004, grafen har åbnet døren for andre 2-D materialer. Forskere kan derefter bruge disse materialer til at skabe stakke af 2-D materialer kaldet heterostrukturer. Disse kan kombineres med grafen for at skabe nye 'designermaterialer' til at producere applikationer, der oprindeligt var begrænset til science fiction.

Professor Francisco Guinea, der var medforfatter til papiret, sagde:"Spintronics-området, egenskaberne og manipulationen af ​​spins i materialer har bragt en række nye aspekter i faste stoffers opførsel frem i lyset. Studiet af grundlæggende aspekter af bevægelsen af ​​spin-bærende elektroner er et af de mest aktive felter i fysikken af ​​kondenseret stof."

Identifikation og karakterisering af nye kvantematerialer med ikke-trivielle topologiske elektroniske og magnetiske egenskaber bliver intensivt undersøgt verden over, efter formuleringen, i 2004 af begrebet topologiske isolatorer. Spintronics er kernen i denne søgning. På grund af deres renhed, styrke, og enkelhed, todimensionelle materialer er den bedste platform, hvor man kan finde disse unikke topologiske træk, som relaterer kvantefysik, elektronik, og magnetisme."

Samlet set, området for spintronik i grafen og relaterede 2D-materialer bevæger sig i øjeblikket mod demonstration af praktiske grafen-spintroniske enheder såsom koblede nano-oscillatorer til anvendelser inden for rumkommunikation, højhastighedsradioforbindelser, applikationer til køretøjsradar og interchipkommunikation.