Onderzoekers in Spanje hebben ontdekt dat als loodatomen worden geïntercaleerd op een grafeenblad, een krachtig magnetisch veld wordt gegenereerd door de interactie van de spin van de elektronen met hun orbitale beweging. Deze eigenschap kan gevolgen hebben voor spintronica, een opkomende technologie die door de Europese Unie wordt gepromoot om geavanceerde computersystemen te creëren.

Grafeen wordt beschouwd als het materiaal van de toekomst vanwege zijn buitengewone optische en elektronische mechanische eigenschappen, vooral omdat het elektronen zeer snel geleidt. Echter, het heeft geen magnetische eigenschappen, en er is dus geen methode gevonden om deze elektronen of hun eigenschappen te manipuleren om het te gebruiken in nieuwe magneto-elektronische apparaten, hoewel Spaanse wetenschappers een sleutel hebben gevonden.

Onderzoekers van IMDEA Nanoscience, de Autonome Universiteit van Madrid, het Madrid Institute of Materials Science (CSIC) en de Universiteit van Baskenland beschrijven in het tijdschrift Natuurfysica deze week hoe je met dit nieuwe materiaal een krachtig magnetisch veld kunt creëren.

Het geheim is om atomen of Pb-eilanden onder de zee van zeshoeken van koolstof waaruit grafeen bestaat, te intercaleren. Dit levert een enorme interactie op tussen twee elektronenkarakteristieken:hun spin - een kleine 'magneet' gekoppeld aan hun rotatie - en hun baan, de beweging die ze volgen rond de kern.

"Deze spin-baan interactie is een miljoen keer intenser dan die inherent is aan grafeen, daarom krijgen we revoluties die belangrijke toepassingen kunnen hebben, bijvoorbeeld bij gegevensopslag, " legt Rodolfo Miranda uit, Directeur van IMDEA Nanoscience en hoofd van de studie.

Om dit effect te verkrijgen, de wetenschappers legden een laag lood op een andere van grafeen, op zijn beurt gegroeid over een iridiumkristal. In deze configuratie vormt het lood 'eilanden' onder het grafeen en gedragen de elektronen van dit tweedimensionale materiaal zich alsof in de aanwezigheid van een kolossaal 80-tesla magnetisch veld, die de selectieve controle van de stroom van spins vergemakkelijkt.

Verkeersregeling met twee rijstroken

"En, wat is het belangrijkste, onder deze omstandigheden zijn bepaalde elektronische toestanden topologisch beschermd; met andere woorden, ze zijn immuun voor defecten, onzuiverheden of geometrische storingen, " vervolgt Miranda, die dit voorbeeld geeft:"Als we het vergelijken met verkeer, in een traditioneel spintronisch materiaal rijden auto's over een eenbaansweg, die aanrijdingen waarschijnlijker maken, terwijl we met dit nieuwe materiaal een verkeersregeling hebben met twee ruimtelijk gescheiden rijstroken, crashes voorkomen."

Spintronica is een nieuwe technologie die de magnetische spin van elektronen gebruikt om informatiebits op te slaan. Het ontstond met de ontdekking van gigantische magnetoweerstand, een bevinding die Peter Grümberg en Albert Fert in 2007 de Nobelprijs voor natuurkunde opleverde. Het is een effect dat grote veranderingen veroorzaakt in de elektrische weerstand van fijne meerlaagse materialen en heeft geleid tot de ontwikkeling van componenten die zo gevarieerd zijn als de lezer opmerkt harde schijven of de sensoren in airbags.

De eerste generatie spintronische of magnetoresistente apparaten was gebaseerd op het effect dat magnetische materialen hebben op elektronenspin. Maar er is al een tweede generatie aan de gang, en omvat deze nieuwe studie, waarin de eigen spin-baan interactie van elektronen op hen inwerkt alsof er een echt extern magnetisch veld is, ook als die er niet is.

Het gebruik van grafeen als actieve component in spintronica is een van de fundamentele doelstellingen van het grote project 'Graphene Flagship' van de Europese Unie. Het uiteindelijke doel van de wetenschappers is om opzettelijk het type spin te controleren dat de elektronen in dit nieuwe materiaal hebben om het toe te passen op de elektronische apparaten van de toekomst.