NUS-natuurkundigen hebben de beheersing van magnetisme in een magnetische halfgeleider via elektrische middelen aangetoond, de weg vrijmaakt voor nieuwe spintronische apparaten.

Halfgeleiders vormen het hart van informatieverwerkingstechnologieën. In de vorm van een transistor, halfgeleiders fungeren als een schakelaar voor elektrische lading, waardoor schakelen tussen binaire toestanden nul en één mogelijk is. Magnetische materialen, anderzijds, zijn een essentieel onderdeel voor apparaten voor informatieopslag. Ze benutten de spin-vrijheidsgraad van elektronen om geheugenfuncties te bereiken. Magnetische halfgeleiders zijn een unieke klasse van materialen die controle mogelijk maken over zowel de elektrische lading als de spin, mogelijk informatieverwerking en geheugenbewerkingen in één enkel platform mogelijk te maken. De belangrijkste uitdaging is om de elektronenspins te controleren, of magnetisatie, elektrische velden gebruiken, op een vergelijkbare manier regelt een transistor de elektrische lading. Echter, magnetisme heeft meestal een zwakke afhankelijkheid van elektrische velden in magnetische halfgeleiders, en het effect is vaak beperkt tot cryogene temperaturen.

Een onderzoeksteam onder leiding van prof. Goki EDA van het departement Natuurkunde en het Departement Scheikunde, en het Centrum voor geavanceerde 2D-materialen, NUS, in samenwerking met Prof Hidekazu KUREBAYASHI van het London Centre for Nanotechnology, Universiteits Hogeschool Londen, ontdekte dat het magnetisme van een magnetische halfgeleider, Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ , vertoont uitzonderlijk sterke respons op aangelegde elektrische velden. Met elektrische velden toegepast, het materiaal bleek ferromagnetisme te vertonen (een toestand waarin elektronenspins spontaan uitlijnen) bij temperaturen tot 200 K (-73°C). Bij zulke temperaturen ferromagnetische orde is normaal gesproken afwezig in dit materiaal.

De onderzoekers pasten grote elektrische velden toe op dit materiaal door het te coaten met een laag polymeergel met daarin opgeloste ionen. Wanneer een spanning op de polymeergel wordt aangelegd, er vormt zich een laag ionen op het materiaaloppervlak, het induceren van sterke elektrische velden en een hoge dichtheid van mobiele elektronen in het materiaal. Bij afwezigheid van deze mobiele elektronen (d.w.z. wanneer de aangelegde spanning nul is), ferromagnetisme komt alleen voor onder 61 K (-212°C). Deze kritische temperatuur, waaronder ferromagnetische orde ontstaat, staat bekend als de Curie-temperatuur. Boven deze temperatuur de spin-oriëntaties zijn willekeurig (paramagnetische toestand), waardoor magnetische geheugenbewerkingen onmogelijk worden. Wanneer een elektrische potentiaal van enkele volt op de polymeergel wordt aangelegd, de onderzoekers ontdekten dat de Curie-temperatuur met meer dan 100°C toenam. Een dergelijke dramatische stijging van de Curie-temperatuur veroorzaakt door elektrische velden is ongebruikelijk in een magnetische halfgeleider. De onderzoekers concluderen dat de door de ionen geïnduceerde mobiele elektronen verantwoordelijk zijn voor de waargenomen magnetische orde bij de hogere temperatuur.

De hoofdauteur Dr. Ivan VERZHBITSKIY, een onderzoeksmedewerker in het team zei:"De mobiele elektronen die in het materiaal aanwezig zijn, helpen de spin-informatie van de ene atoomlocatie naar de andere te dragen en de magnetische orde te vestigen, wat resulteert in een hogere Curie-temperatuur."

De bedrijfstemperatuur van deze apparaten ligt nog steeds ver onder de kamertemperatuur, waardoor de implementatie ervan in de huidige technologieën onpraktisch is. Echter, het team wil deze beperking in hun toekomstig onderzoek overwinnen.

"Wij zijn van mening dat dit unieke fenomeen dat we hebben waargenomen niet beperkt is tot deze specifieke verbinding en kan worden verwacht in andere gerelateerde materiaalsystemen. Met een zorgvuldige selectie van materialen, het zal mogelijk zijn om apparaten te ontwikkelen die bij kamertemperatuur werken, die kunnen leiden tot baanbrekende nieuwe technologieën, ", voegde prof. Eda eraan toe.