De waarneming van niet-lineariteit in elektronenspin-gerelateerde processen in grafeen maakt het gemakkelijker te transporteren, spins manipuleren en detecteren, evenals spin-to-charge conversie. Het maakt ook analoge bewerkingen mogelijk, zoals amplitudemodulatie en spinversterking. Dit brengt spintronica op het punt waar reguliere elektronica was na de introductie van de eerste transistors. Deze resultaten van natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling toegepast op 17 dec.

Spintronica is een soort elektronica die de spin van elektronen (een magnetisch moment dat de waarden 'omhoog' of 'omlaag' kan hebben) gebruikt om signalen te transporteren. Spintransport in het 2-D koolstofmateriaal grafeen is uitstekend; echter, manipulatie van spins is dat niet. Dit vereist de toevoeging van ferromagneten (voor spin-injectie en detectie) of zware-atoommaterialen met een hoge spin-baankoppeling, die de manipulatie van spins mogelijk maken.

niet-lineair

Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen hebben nu aangetoond dat niet-lineaire effecten die specifiek zijn voor elektronenspin kunnen worden bereikt met behulp van 2-D boornitride. Eerder, ze hadden al aangetoond dat het injecteren van een stroom door een boornitride dubbellaag, waarop een kleine DC-biasstroom werd toegepast, resulteerde in een zeer hoge spinpolarisatie, wat betekent dat er een groot verschil is tussen het aantal spin-up en spin-down elektronen. Ze hebben nu aangetoond dat de toename van de polarisatie kan worden toegeschreven aan niet-lineaire processen die de elektronenspins beïnvloeden.

De niet-lineariteit betekent dat twee spinsignalen vermenigvuldigen, in plaats van op te tellen (wat een lineair effect zou zijn). Verder, in het niet-lineaire regime, spinsignalen kunnen worden gemeten zonder gebruik te maken van ferromagneten. Eerder, al deze effecten waren afwezig of zeer zwak in een typisch grafeen spintronic-apparaat. 'Allemaal vanwege dit niet-lineaire effect, die evenredig toeneemt met de biasstroom, ' zegt Siddhartha Omar, een voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de Rijksuniversiteit Groningen en eerste auteur van het artikel. 'De polarisatie kan zelfs oplopen tot 100 procent. Omdat het niet-lineair is, je geeft minder en krijgt meer tijdens de injectie wanneer deze stroom wordt toegepast.'

neuromorfisch

In de studie, Omar en zijn collega's in de groep Physics of Nanodevices van het Zernike Institute for Advanced Materials, Rijksuniversiteit Groningen, tonen toepassingen van het niet-lineaire effect voor basale analoge bewerkingen, zoals essentiële elementen van amplitudemodulatie op pure spinsignalen. 'Wij denken dat hiermee spin over grotere afstanden kan worden getransporteerd. Het grotere spinsignaal maakt de omzetting van spinlading ook makkelijker en dat betekent dat we geen ferromagneten meer nodig hebben om ze te detecteren.'

De mogelijkheid om een ​​spinsignaal te moduleren, in plaats van het alleen aan of uit te zetten, maakt het ook gemakkelijker om spintronische apparaten te bouwen. Omar:'Ze kunnen worden gebruikt in spin-based neuromorphic computing, die schakelaars gebruikt die een reeks waarden kunnen hebben, in plaats van alleen 0 of 1.' Het lijkt ook mogelijk om een ​​spinstroomversterker te maken, die een grote spinstroom produceert met een kleine voorspanning. 'Misschien is het er al, maar we moeten het nog bewijzen, ' zegt Omar.

Spintronica

Al deze effecten werden zowel bij lage temperaturen als bij kamertemperatuur gemeten en konden worden gebruikt in toepassingen zoals niet-lineaire circuitelementen op het gebied van geavanceerde spintronica. 'Spintronics staat nu op het punt waar de reguliere elektronica stond na de introductie van de eerste transistors. We kunnen nu echte spintronische apparaten bouwen, ' besluit Omar.