Onderzoekers van de Chalmers University of Technology laten zien dat het toepassen van een matig magnetisch veld in het vlak de spinlevensduur van elektronen in grafeen verlengt. De resultaten van dit werk hebben ingrijpende implicaties voor het gebruik van grafeen als post-CMOS-platform in spintronica, en een belangrijke bijdrage leveren aan het begrip van de fysica van 2D-materialen. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

"Met dit werk hebben we bijgedragen aan het toevoegen van een stukje aan de puzzel waarom grafeen in de praktijk niet zo goed is voor spintronica als een theorie voorspelt. We moeten doorgaan met het vinden van andere stukjes van deze interessante puzzel", zegt Sergey Kubatkin, professor in de fysica van kwantumapparaten, bij Chalmers.

Grafeen is een van de veelbelovende kandidaten in het post-CMOS-platform voor spintronica, het gebruik van elektronenspin voor informatieverwerking. Een praktische vereiste voor spintronica is om materialen te vinden waarin de elektronenspin zonder verstoringen lange afstanden kan afleggen, dat is, materialen met een lange spinlevensduur. In theorie, grafeen is hiervoor een ideaal materiaal vanwege de hoge dragermobiliteit en het vermogen om de elektronenspin gedurende milliseconden intact te houden. Echter, in echt grafeen is de spin-levensduur in de orde van nanoseconden, dat is, een discrepantie tussen theorie en experiment van ongeveer 6 ordes van grootte.

Wat beperkt de spin-levensduur in echte grafeen-apparaten? Dat is de vraag die het onderzoek beantwoordt en momenteel een van de belangrijkste puzzels in de grafeenfysica is. In een eerdere publicatie in hetzelfde tijdschrift, gepubliceerd in oktober 2011 (zie onderstaande link), de groep bracht het idee naar voren dat de spin-levensduur in grafeen kan worden beperkt door verstrooiing op defecten in grafeen, die zich gedragen als magnetische onzuiverheden. Nu heeft het team dit idee direct bewezen door een gematigd magnetisch veld in het vlak toe te passen en een toename van de levensduur van de elektronenspin waar te nemen:het magnetische veld in het vlak bevriest de magnetische defecten, en de verstoringen van de elektronenspin in grafeen worden onderdrukt.

Om deze effecten te onderzoeken, onderzoekers maten elektronenspin-relaxatie via kwantuminterferentiecorrecties voor elektrische geleidbaarheid van grafeen bij lage temperaturen. Deze kwantumcorrectie wordt vernietigd door zwakke loodrechte magnetische velden en door het randomiserende effect van temperatuur, het is echter experimenteel gezien eindig te blijven, zelfs bij de laagste temperaturen. Onverwacht, de invloed van het veld in het vlak op de levensduur van de spin was niet-monotoon:een zeer zwak veld in het vlak heeft geresulteerd in een kleine maar merkbare afname van de levensduur van de spin voordat het werd versterkt in een iets sterker veld. Het gedrag in het zwakke veld werd begrepen in termen van een voorheen onbekende bijdrage van spindynamica aan magnetotransport:de precessie van zowel de elektronenspin als de magnetische defectspin in het vlak. Als de twee met dezelfde snelheid en in dezelfde richting draaien, precessie heeft geen effect op de levensduur van de elektronspin. Echter, als elektronen de spin van verstrooiende onzuiverheden in willekeurige fase "zien", de spin-levensduur van het elektron neemt af.