Mod 2D-hukommelsesteknologi med magnetisk grafen

I spintronics, elektronernes magnetiske moment (spin) bruges til at overføre og manipulere information. Et ultrakompakt 2D-spin-logik-kredsløb kunne bygges af 2D-materialer, der kan transportere spin-informationen over lange afstande og også give stærk spin-polarisering af ladestrømmen. Eksperimenter udført af fysikere ved University of Groningen (Holland) og Colombia University (USA) tyder på, at magnetisk grafen kan være det ultimative valg for disse 2D-spin-logiske enheder, da det effektivt konverterer ladning til spinstrøm og kan overføre denne stærke spin-polarisering over lange afstande. Denne opdagelse blev offentliggjort den 6. maj i Natur nanoteknologi .

Spintronic-enheder lover højhastigheds- og energibesparende alternativer til den nuværende elektronik. Disse enheder bruger det magnetiske moment af elektroner, såkaldte spins ('op' eller 'ned') til at overføre og lagre information. Den igangværende nedskalering af hukommelsesteknologi kræver stadig mindre spintroniske enheder, og den søger derfor efter atomisk tynde materialer, der aktivt kan generere store spin-signaler og overføre spin-informationen over mikrometer lange afstande.

Grafen

I over et årti, grafen har været det mest gunstige 2D-materiale til transport af spin-information. Imidlertid, grafen kan ikke generere spinstrøm af sig selv, medmindre dets egenskaber er passende modificeret. En måde at opnå dette på er at få det til at fungere som et magnetisk materiale. Magnetismen ville favorisere passage af én type spin og dermed skabe en ubalance i antallet af elektroner med spin-up versus spin-down. I magnetisk grafen, dette ville resultere i en stærkt spin-polariseret strøm.

Denne idé var nu eksperimentelt blevet bekræftet af videnskabsmændene i Physics of Nanodevices-gruppen ledet af prof. Bart van Wees ved University of Groningen, Zernike institut for avancerede materialer. Da de bragte grafen i umiddelbar nærhed af en 2D lagdelt antiferromagnet, CrSBr, de kunne direkte måle en stor spin-polarisering af strøm, genereret af magnetisk grafen.

Spin-logik

I konventionelle grafen-baserede spintroniske enheder, ferromagnetiske (kobolt) elektroder bruges til at indsprøjte og detektere spin-signalet i grafen. I modsætning, i kredsløb bygget af magnetisk grafen, indsprøjtningen, transport og påvisning af spins kan alt sammen udføres af grafenen selv, forklarer Talieh Ghiasi, avisens første forfatter. "Vi registrerer en usædvanlig stor spin-polarisering af ledningsevnen på 14% i den magnetiske grafen, som også forventes at være effektivt tunerbar af et tværgående elektrisk felt." Det her, sammen med grafens enestående ladnings- og spintransportegenskaber muliggør realiseringen af ​​2D-spin-logiske kredsløb af helt grafen, hvor den magnetiske grafen alene kan injicere, transportere og detektere spin-informationen.

I øvrigt, den uundgåelige varmeafledning, der sker i ethvert elektronisk kredsløb, vendes til en fordel i disse spintroniske enheder. "Vi observerer, at temperaturgradienten i den magnetiske grafen på grund af Joule-opvarmningen omdannes til spinstrøm. Dette sker ved den spin-afhængige Seebeck-effekt, der også observeres i grafen for første gang i vores eksperimenter. " siger Ghiasi. Den effektive elektriske og termiske generering af spinstrømme ved hjælp af magnetisk grafen lover betydelige fremskridt både for 2D-spintronic og spin-caloritronic teknologier.

Spintransporten i grafen, desuden, er meget følsom over for den magnetiske opførsel af det yderste lag af den tilstødende antiferromagnet. Dette indebærer, at sådanne spintransportmålinger muliggør udlæsning af magnetiseringen af ​​et enkelt atomlag. Dermed, de magnetiske grafen-baserede enheder adresserer ikke kun de mest teknologisk relevante aspekter af magnetisme i grafen til 2D-hukommelsen og sensoriske systemer, men giver også yderligere indsigt i magnetismens fysik.

De fremtidige implikationer af disse resultater vil blive undersøgt i forbindelse med EU's grafenflagskib, som arbejder mod nye anvendelser af grafen og 2D-materialer.