Sort fosfor driver spintronics med exceptionel anisotropisk spintransport

Med moderne elektroniske enheder, der nærmer sig grænserne for Moores lov og den igangværende udfordring med effekttab i integreret kredsløbsdesign, er der behov for at udforske alternative teknologier ud over traditionel elektronik. Spintronics repræsenterer en sådan tilgang, der kunne løse disse problemer og give mulighed for at realisere enheder med lavere effekt.

Et samarbejde mellem forskergrupper ledet af professor Barbaros Özyilmaz og adjunkt Ahmet Avsar, begge tilknyttet Institut for Fysik og Institut for Materialevidenskab og Engineering ved National University of Singapore (NUS), har opnået et betydeligt gennembrud ved at opdage anisotropisk spin transport karakter af todimensional sort fosfor.

Resultaterne er blevet offentliggjort i Nature Materials .

I modsætning til den konventionelle ladningsbevægelse i elektroniske enheder, fokuserer spintronics på banebrydende enheder, der manipulerer den iboende egenskab af elektroner kendt som "spin". I lighed med ladninger i elektroner giver spin elektroner en rotationskvalitet, som om de roterer om en akse, hvilket får dem til at opføre sig som små magneter, der både har en størrelse og en retning.

Elektronspindet kan eksistere i en af ​​to tilstande, kaldet spin "op" eller spin "ned". Dette er analogt med rotation med uret eller mod uret.

Mens traditionelle elektroniske enheder virker ved at flytte ladninger rundt i kredsløbet, fungerer spintronics ved at manipulere elektronspin. Dette er vigtigt, fordi flytning af elektriske ladninger omkring traditionelle elektriske kredsløb nødvendigvis medfører, at noget strøm går tabt som varme, hvorimod bevægelsen af ​​spin ikke i sig selv spreder så meget varme. Denne egenskab kunne potentielt muliggøre en enhedsdrift med lavere effekt.

Forskere er særligt interesserede i at bruge materialer ved den atomare tynde grænse til at undersøge egenskaberne af spin-"kanaler", som er ligesom ledninger, der kan lette transporten af ​​spins.

Prof Özyilmaz understregede vigtigheden af ​​materialevalg i spintronics-enheder og sagde:"Valg af det rigtige materiale er altafgørende i spintronics. Meget effektive og funktionelle spin-kanalmaterialer er rygraden i spintronics-enheder, hvilket giver os mulighed for at manipulere og kontrollere spins til forskellige applikationer."

Sort fosfor er et sådant fremvoksende materiale, som får opmærksomhed for sine gunstige spintroniske egenskaber. Sort fosfor har en unik rynket krystalstruktur, og det betyder, at opførselen af ​​dens spins også afhænger af deres retning.

Prof Avsar sagde:"Sort fosfor fremviser meget anisotropisk spin-transport, der afviger fra den normale isotropiske adfærd, der ses i konventionelle spin-kanalmaterialer. Dens krystalstruktur giver retningsbestemt karakteristika til spintransport, hvilket giver nye muligheder for at kontrollere spintronics-enheder."

Forskerne fremstillede ultratynde sort-fosfor-baserede spin-ventiler, indkapslet mellem sekskantede bornitridlag. Spintransportanisotropien blev undersøgt ved at indsprøjte spins i det sorte fosfor i den ene ende af enheden og måle spinsignalet i den anden ende ved at ændre retningen af ​​spinstrømmen.

Målinger blev udført, mens der blev påført et stærkt magnetfelt vinkelret på det sorte fosforlag og sammenlignet det med dem, når et svagt magnetfelt påføres.

Forskerne observerede, at anvendelsen af ​​et stærkt magnetfelt resulterede i en stor stigning i spin-signalet. Denne effekt opstår fra den rynkede krystalstruktur, da det stærke magnetiske felt tvinger spindene til at pege ud af materialets plan, ændre deres interaktion med deres omgivelser og øge deres levetid med en faktor på seks.

Denne undersøgelse afslører også, at ultratyndt sort fosfor udviser elektrisk indstillelige nanosekunders spin-levetider ved hjælp af en back-gate. Den exceptionelle spin-anisotropi, kombineret med evnen til elektrisk at modulere spin-transport, gør det muligt at skabe nye enheder, der ikke udelukkende styres af den binære spin-tilstand (op eller ned), men som også udnytter spin-anisotropi for at opnå retningsbestemt kontrol.

Dette placerer sort fosfor som en unik platform for overlegen manipulation af spins – et afgørende fremskridt inden for spintronics.

Flere oplysninger: Luke Cording et al., Meget anisotropisk spintransport i ultratynd sort fosfor, Naturmaterialer (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01779-8

Journaloplysninger: Naturmaterialer

Leveret af National University of Singapore