Een cruciaal doel van spintronica-onderzoek is het coherent manipuleren van elektronenspins bij kamertemperatuur met behulp van elektrische stroom. Dit is bijzonder waardevol omdat het de ontwikkeling van talrijke apparaten mogelijk zou maken, inclusief spin-veldeffecttransistoren.

In experimenten met conventionele materialen, ingenieurs en natuurkundigen hebben tot nu toe alleen coherente spin-precessie waargenomen in het ballistische regime en bij zeer lage temperaturen. Tweedimensionale (2D-materialen), echter, hebben unieke kenmerken die nieuwe bedieningsknoppen kunnen bieden om de spinprocessie te manipuleren.

Onderzoekers van CIC nanoGUNE BRTA in Spanje en de Universiteit van Regensburg in Duitsland hebben onlangs spin-precessie aangetoond bij kamertemperatuur in afwezigheid van een magnetisch veld in dubbellaags grafeen. In hun krant gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , ze gebruikten 2D-materialen om een ​​spin-veldeffecttransistor te realiseren.

"In onze groep er is een lange traditie van het bestuderen van spintransport in meerdere materialen, zoals eenvoudige metalen, bijvoorbeeld, Josep Ingla-Aynes, Frans Herling, Jaroslav Fabian, Luis E. Hueso en Felix Casanova, de onderzoekers die het onderzoek hebben uitgevoerd, vertelde Phys.org via e-mail. "Ons belangrijkste doel is om te begrijpen hoe de spin van het elektron informatie kan vervoeren en hoe deze mate van vrijheid kan helpen om apparaten met nieuwe functionaliteiten te maken."

Grafeen is een van de materialen met de grootste spin-relaxatielengtes. Niettemin, het manipuleren van spins terwijl ze op grafeen reizen, kan een hele uitdaging zijn en is tot nu toe alleen bereikt met behulp van externe magnetische velden, wat verre van ideaal is voor praktische toepassingen.

Onlangs, Ingla-Aynés en zijn collega's hebben onderzocht hoe heterostructuren op basis van verschillende 2D-materialen, ook bekend als van der Waals heterostructuren, optreden in spintronica. Van der Waals heterostructuren, zijn een klasse van op grafeen gebaseerde 2D-materialen met lagen die niet chemisch gebonden zijn.

"We hebben met name structuren onderzocht waar een materiaal met een zwakke spin-baankoppeling (zoals grafeen) is gestapeld met een materiaal met een sterke spin-baankoppeling (zoals WSe ₂ ) en experimenteel observeren hoe deze spin-baankoppeling daadwerkelijk door nabijheid in het grafeen wordt overgebracht, " legden de onderzoekers uit. "Meer technisch, door een sterke interactie tussen de lagen te bereiken, het is mogelijk om zo'n efficiënte spin-baankoppeling op het grafeen af ​​te drukken (dat fungeert als een effectief magnetisch veld) dat de spins kan omkeren zonder dat er een magnetisch veld aan te pas komt en dit is wat we wilden doen."

In plaats van een enkel materiaal te gebruiken, Ingla-Aynés en zijn collega's gebruikten een combinatie van twee materialen met verschillende belangrijke eigenschappen. De eerste van deze materialen is grafeen, die een zwakke spin-baankoppeling en een lange spin-relaxatielengte heeft. De tweede is WSe ₂ , die een sterke en anisotrope spin-baankoppeling heeft.

"We hebben dubbellaags grafeen / WSe gemaakt ₂ van der Waals heterostructuren met behulp van een op droge polymeer gebaseerde stapeltechniek, " zeiden de onderzoekers. "Toen, om de nabijheid tussen de lagen te bevorderen, we gloeiden onze monsters boven 400 graden Celsius. Om spintransport te meten, we gebruikten ferromagnetische elektroden die, gecombineerd met magnetische velden, stellen ons in staat om in-plan en out-of-plan spins te meten die over het grafeen/WSe reizen ₂ kanaal."

Ingla-Aynés en zijn collega's waren in staat om de spintransporttijden in het materiaal dat ze gebruikten te beheersen door er een elektrisch veld in het vlak en een backgate-spanning op aan te leggen. Dit maakte uiteindelijk de elektrische controle van de spin-precessie bij kamertemperatuur mogelijk, zonder de noodzaak om een ​​extern magnetisch veld aan te leggen.

"Dit is al tientallen jaren gezocht door de gemeenschap en het verkennen van veel verschillende materialen, maar niemand was succesvol, tot nu, " zeiden de onderzoekers. "Deze bevinding heeft implicaties voor de toepasbaarheid van spintronica, aangezien ons apparaat werkt als de lang gezochte Datta-Das spintransistor, dat is een van de doelen van spintronica sinds het voor het eerst werd voorgesteld in 1990."

In hun krant de onderzoekers presenteerden de eerste spin-veldeffecttransistor bij kamertemperatuur met behulp van de spin-precessiestrategie die ze ontwikkelden. In de toekomst, hun werk zou de weg kunnen banen naar de praktische implementatie van energie-efficiënte spin-gebaseerde logica.

"Onze studie heeft ook een fundamentele consequentie, omdat het waardevolle informatie biedt over hoe spintransport wordt beïnvloed door de spin-baaninteracties in op grafeen gebaseerde van der Waals-heterostructuren, " zeiden de onderzoekers. "In onze volgende studies, we zijn van plan om meerdere andere combinaties van 2D-materialen te bestuderen die nieuwe fysieke effecten zullen opleveren die verband houden met de vrijheidsgraad van de spin."

© 2021 Science X Network