Forskning fremmer magnetisk grafen til laveffektelektronik

Fysikere fra National University of Singapore (NUS) har udviklet et koncept til at inducere og direkte kvantificere spinopdeling i todimensionelle materialer. Ved at bruge dette koncept har de eksperimentelt opnået stor tunability og en høj grad af spin-polarisering i grafen. Denne forskningspræstation kan potentielt fremme feltet for todimensionel (2D) spintronik med applikationer til elektronik med lav effekt.

Joule-opvarmning udgør en betydelig udfordring i moderne elektronik, især i enheder som personlige computere og smartphones. Dette er en effekt, der opstår, når strømmen af ​​elektrisk strøm, der passerer gennem et materiale, producerer termisk energi, der efterfølgende hæver materialets temperatur. En potentiel løsning involverer brugen af ​​spin i stedet for ladning i logiske kredsløb. Disse kredsløb kan i princippet tilbyde lavt strømforbrug og ultrahurtig hastighed på grund af reduktion eller eliminering af Joule-opvarmning. Dette har givet anledning til det nye felt af spintronics.

Grafen er et ideelt 2D-materiale til spintronik på grund af dets lange spindiffusionslængde og lange spinlevetid selv ved stuetemperatur. Selvom grafen ikke i sagens natur er spin-polariseret, kan det induceres til at udvise spin-splittende adfærd ved at placere det i nærheden af ​​magnetiske materialer. Der er dog to hovedudfordringer. Der er mangel på direkte metoder til at bestemme spin-splittende energi og en begrænsning i grafens spin-egenskaber og tunbarhed.

Et forskerhold ledet af professor Ariando fra Institut for Fysik, NUS, udviklede et innovativt koncept til direkte at kvantificere spin-splittende energi i magnetisk grafen ved hjælp af Landau fan shift. Landau fan shift refererer til skiftet af intercept, når man plotter lineære tilpasninger af oscillationsfrekvens med ladningsbærere, hvilket skyldes opsplitning af energiniveauer af ladede partikler i et magnetfelt. Det kan bruges til at studere stoffets grundlæggende egenskaber. Desuden kan den inducerede spin-splittende energi tunes over et bredt område ved hjælp af en teknik kaldet feltkøling.

Den observerede høje spin-polarisering i grafen, kombineret med dets tunbarhed i spin-splittende energi, tilbyder en lovende vej for udviklingen af ​​2D-spintronik til elektronik med lav effekt.

Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Advanced Materials .

Forskerne udførte en række eksperimenter for at validere deres tilgang. De begyndte med at skabe en magnetisk grafenstruktur ved at stable en monolagsgrafen oven på et magnetisk isolerende oxid Tm₃ Fe₅ O₁₂ (TmIG). Denne unikke struktur gjorde det muligt for dem at bruge Landau-fanskiftet til direkte at kvantificere dets spin-splittende energiværdi på 132 meV i den magnetiske grafen.

For yderligere at bekræfte det direkte forhold mellem Landau-blæserskiftet og spin-splittende energi, udførte forskerne feltkølingseksperimenter for at justere graden af ​​spin-spaltningen i grafen. De anvendte også røntgenmagnetisk cirkulær dikroisme (XMCD) ved Singapore Synchrotron Light Source for at afsløre oprindelsen af ​​spin-polariseringen.

Dr. Junxiong Hu, hovedforfatteren for forskningspapiret, sagde:"Vores arbejde løser den langvarige kontrovers inden for 2D-spintronik ved at udvikle et koncept, der bruger Landau-fanskifte til direkte at kvantificere spinopdelingen i magnetiske materialer."

For yderligere at understøtte deres eksperimentelle resultater, samarbejdede forskerne med et teoretisk hold ledet af professor Zhenhua Qiao fra University of Science and Technology i Kina, for at beregne spin-spaltningsenergien ved hjælp af første principberegninger.

De opnåede teoretiske resultater var i overensstemmelse med deres eksperimentelle data. Desuden brugte de også maskinlæring til at tilpasse deres eksperimentelle data baseret på en fænomenologisk model, som giver en dybere forståelse af tunerbarheden af ​​spin-splittende energi ved feltkøling.

Prof Ariando sagde:"Vores arbejde udvikler en robust og unik rute til at generere, detektere og manipulere elektronernes spin i atomisk tynde materialer. Det demonstrerer også en praktisk brug af kunstig intelligens i materialevidenskab. Med den hurtige udvikling og betydelige interesse for felt af 2D-magneter og stablingsinduceret magnetisme i atomisk tynde van der Waals-heterostrukturer, mener vi, at vores resultater kan udvides til forskellige andre 2D-magnetiske systemer."

Med udgangspunkt i dette proof-of-concept-studie planlægger forskerholdet at udforske manipulationen af ​​spinstrøm ved stuetemperatur. Deres mål er at anvende deres resultater i udviklingen af ​​2D spin-logiske kredsløb og magnetisk hukommelse/sensoriske enheder.

Evnen til effektivt at tune spinpolariseringen af ​​strømmen danner grundlaget for realiseringen af ​​helt elektriske spin-felteffekttransistorer, hvilket indvarsler en ny æra med lavt strømforbrug og ultrahurtig hastighedselektronik.

Flere oplysninger: Junxiong Hu et al., Tunable Spin-Polarized States in Graphene on a Ferrimagnetic Oxide Insulator, Avancerede materialer (2023). DOI:10.1002/adma.202305763

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af National University of Singapore