Sinds grafeen een paar jaar geleden voor het eerst werd geïsoleerd, dit quasi-tweedimensionale netwerk bestaande uit een enkele laag koolstofatomen wordt als het magische materiaal beschouwd. Grafeen is niet alleen mechanisch zeer veerkrachtig, het biedt ook een interessante basis voor nieuwe spintronische componenten die gebruikmaken van het magnetische moment van geleidingselektronen.

Nutsvoorzieningen, Helmholtz Center Berlin's Dr. Andrei Varykhalov, Prof. Dr. Oliver Rader en zijn team van natuurkundigen hebben de eerste stap gezet naar het bouwen van op grafeen gebaseerde componenten, in samenwerking met natuurkundigen uit St. Petersburg (Rusland), Jülich (Duitsland) en Harvard (VS). Volgens hun rapport op 27. November 2012 in Natuurcommunicatie , ze slaagden erin om de spin-baankoppeling van grafeengeleidingselektronen met een factor 10 te vergroten, 000 – genoeg om een ​​schakelaar te bouwen die kan worden bediend via kleine elektrische velden.

De grafeenlaag zit bovenop een nikkelsubstraat waarvan de atomen op dezelfde afstand zijn gescheiden als de hexagonale mazen van grafeen. Volgende, de natuurkundigen deponeerden goudatomen op hun monster dat uiteindelijk tussen het grafeen en het nikkel terechtkwam.

Met behulp van verschillende foto-elektronenspectrometers in HZB's eigen BESSY II-synchrotronstralingsfaciliteit konden de onderzoekers veranderingen in de elektronische eigenschappen van grafeen meten. Net als de aarde, elektronen hebben twee impulsmomenten:een orbitaal impulsmoment, waardoor ze de atoomkern kunnen omcirkelen; en een spin die overeenkomt met een rotatie om hun eigen assen. Een sterke spin-baankoppeling betekent dus een groot energetisch verschil, afhankelijk van of beide rotaties in dezelfde of tegengestelde richting zijn gericht. In het geval van lichtere kernen (zoals geldt voor koolstofatomen), de spin-baan interactie is nogal zwak, terwijl het in het geval van zwaardere atomen zoals goud vrij sterk is. “Dat zouden we kunnen laten zien, gezien hun nabijheid tot de grafeenlaag, de goudatomen waren ook in staat om dit samenspel in de grafeenlaag met een factor 10 te vergroten, 000, " legt Dmitry Marchenko uit, die de metingen deed als onderdeel van zijn promotieonderzoek.

Volgens Varychalov, deze zeer sterke spin-baankoppeling zou de onderzoekers in staat stellen een soort schakelaar te bouwen, aangezien de spins nu kunnen worden geroteerd met behulp van een elektrisch veld. Twee spinfilters - één voor en één achter het onderdeel - zouden elk alleen unidirectionele spins tolereren. Als de spinfilters loodrecht op elkaar staan, er zou geen spin meer door kunnen komen en de schakelaar zou effectief worden uitgeschakeld. Een elektrisch veld, echter, zou de spins zo draaien dat het in staat zou zijn om – gedeeltelijk of volledig – de schakelaar om te draaien.

"We waren in staat om te documenteren dat alleen elektronen in de 5d-orbitalen van goudatomen de spin-baaninteractie van grafeen verhogen. Dit komt overeen met onze theoretische modellen, " legt Varykhalov uit. Niettemin, de HZB-fysici hebben hun volgende uitdaging al voor zichzelf:een op grafeen gebaseerd onderdeel dat op een niet-geleidend oppervlak zit in plaats van nikkel, een metaal. Niet verrassend, ze zijn er al mee begonnen.