Door grafeen te combineren met een ander tweedimensionaal materiaal, onderzoekers van Chalmers University of Technology hebben een prototype gemaakt van een transistorachtig apparaat voor toekomstige computers, gebaseerd op wat bekend staat als spintronica. Spin als informatiedrager kan resulteren in elektronica die aanzienlijk sneller en energiezuiniger is. Het kan ook leiden tot meer veelzijdige componenten die zowel gegevensberekening als opslag kunnen uitvoeren. De ontdekking is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

Iets meer dan twee jaar geleden, dezelfde onderzoeksgroep aan de Chalmers University of Technology heeft aangetoond dat grafeen, die een uitstekende elektrische geleider is, heeft ook onovertroffen spintronische eigenschappen.

Het superdunne koolstofgaas bleek in staat elektronen met gecoördineerde spin over langere afstanden te transporteren en de spin langer te behouden dan enig ander bekend materiaal bij kamertemperatuur.

Hoewel de afstand nog steeds op de schaal van enkele micrometers is en de tijd nog steeds in nanoseconden wordt gemeten, dit opende in principe de deur naar de mogelijkheid om spin toe te passen in micro-elektronische componenten.

"Maar, het is niet voldoende om een ​​goede snelweg te hebben om het spinsignaal te laten rijden. Je hebt ook verkeerslichten nodig, zodat het signaal kan worden gecontroleerd, " zegt universitair hoofddocent Saroj Dash, leider van de onderzoeksgroep.

"Onze nieuwe uitdaging werd het vinden van een materiaal dat de spin zowel kan overbrengen als beheersen. Het is moeilijk, aangezien beide taken normaal gesproken volledig tegengestelde materiaaleigenschappen vereisen, " hij legt uit.

Net als veel andere onderzoekers in het hete veld van grafeen, de Chalmers-onderzoekers kozen er daarom voor om een ​​combinatie van grafeen en een ander dun, zogenaamd tweedimensionaal materiaal, met contrasterende spintronische eigenschappen.

"Ons materiaal bij uitstek was molybdeendisulfide, MoS2, vanwege de lage spin-levensduur die wordt gestoomd door een koppeling met een hoge spin-baan, " zegt André Dankert, postdoc onderzoeker in de groep.

André Dankert en Saroj Dash ontwierpen een experiment waarbij in een soort sandwich een paar lagen molybdeendisulfide op een laag grafeen werden geplaatst, heterostructuur genoemd. Hiermee, ze konden in detail identificeren wat er met het spinsignaal gebeurt wanneer de elektronenstroom de heterostructuur bereikt:

"Ten eerste, de grootte van het spinsignaal en de levensduur in grafeen wordt vertienvoudigd alleen door het nauwe contact met molybdeendisulfide. Maar, we laten ook zien hoe men het signaal en de levensduur kan regelen door elektrische poortspanning over de heterostructuur aan te leggen, " legt Saroj Dash uit.

Dit komt doordat de natuurlijke energiebarrière die tussen de materiaallagen bestaat, de Schottky-barrière genoemd, vermindert wanneer de elektrische spanning wordt toegepast. Hiermee, de elektronen kunnen kwantummechanisch vanuit het grafeen tunnelen naar het molybdeendisulfide. Hierdoor verdwijnt spinpolarisatie; de spin wordt willekeurig verdeeld.

Het op deze manier openen of sluiten van een "klep" door het regelen van een spanning is vergelijkbaar met hoe een transistor werkt in conventionele elektronica. Niettemin, Saroj Dash aarzelt een beetje om het apparaat een spin-transistor te noemen.

"Toen onderzoekers toekomstige spintransistors voorstelden, ze stelden zich vaak iets voor dat gebaseerd was op halfgeleidertechnologie en de zogenaamde coherente manipulatie van elektronenspin. Wat we hebben gedaan, werkt op een heel andere manier, maar voert een vergelijkbare schakeltaak uit, " hij zegt.

"Dit is de eerste keer dat iemand heeft kunnen aantonen dat de gate-controle van spinstroom en spin-levensduur werkt bij kamertemperatuur - wat natuurlijk de mogelijkheden voor verschillende toepassingen in de toekomst vergroot, ' zegt Saroj Dash.

Hoewel het nog te vroeg is om te voorspellen welke dit zullen zijn, Dash wijst erop dat een op dit principe gebaseerde component extreem veelzijdig kan zijn omdat het magnetische geheugenelementen bevat, halfgeleiders en grafeen, evenals de mogelijkheid om spintronic-schakelingen uit te voeren.

"Het wijst op een multifunctioneel onderdeel dat zowel gegevensopslag als processorwerk aankan - in één enkele eenheid."

Feiten:Molybdeendisulfide, MoS2

Molybdeendisulfide is een halfgeleidende stof waarmee velen in contact zijn gekomen, omdat het het actieve ingrediënt is in een bepaald type smeermiddel dat bij uw plaatselijke tankstation wordt verkocht.

Met zijn gelaagde structuur, molybdeendisulfide heeft overeenkomsten met grafiet, die is opgebouwd uit verschillende lagen grafeen die aan elkaar plakken. Echter, als het om spintronica gaat, zijn de materialen elkaars tegenpolen. Molybdeendisulfide laat geen enkele gepolariseerde elektronenstroom door. Het spinsignaal gaat plotseling dood omdat de elektronen snel terugkeren naar hun natuurlijke, willekeurige mix van up-spin en down-spin.

Feiten:Spin en spintronica

Spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen en andere elementaire deeltjes. De spin is ofwel naar boven of naar beneden gericht. De verdeling is normaal gesproken willekeurig.

Maar, soms hebben alle of de meeste elektronen in een materiaal hun spin in dezelfde richting - omhoog of omlaag. Zo ontstaat magnetisme.

Met behulp van magneten, een elektronenstroom kan worden gehomogeniseerd - d.w.z. gepolariseerd - zodat alle elektronen up-spin hebben, bijvoorbeeld. Er wordt dan gezegd dat de stroom een ​​spinsignaal draagt.

Gecoördineerde spin is gevoelig voor verstoringen en kan gemakkelijk verloren gaan, maar grafeen heeft bewezen een geleider te zijn waarmee een stroom ongewoon lang kan reizen met zijn spin intact. Lang genoeg om de spin te kunnen gebruiken als informatiedrager in toekomstige logische componenten – spintronica.