Een interdisciplinair team van wetenschappers van het U.S. Naval Research Laboratory (NRL) heeft de eerste demonstratie gerapporteerd van metallische spinfiltering bij kamertemperatuur met behulp van ferromagneet-grafeen-ferromagneet dunne-filmovergangsapparaten - spin is een fundamentele eigenschap van elektronen, naast opladen, die kunnen worden gebruikt om te verzenden, gegevens verwerken en opslaan.

"De spinfiltering was theoretisch voorspeld en eerder alleen gezien voor structuren met hoge weerstand bij cryogene temperaturen, " zei Dr. Enrique Cobas, hoofdonderzoeker, NRL Materiaalkunde en Technologie Divisie. "De nieuwe resultaten bevestigen dat het effect werkt bij kamertemperatuur met een zeer lage weerstand in arrays van meerdere apparaten."

De dunne film juncties vertoonden een lage weerstand, en de magnetoweerstandskarakteristiek van een spinfilterinterface van cryogene temperaturen tot kamertemperatuur. Het onderzoeksteam ontwikkelde ook een apparaatmodel om de voorspelde spinfiltering op te nemen door een metallisch minderheidsspinkanaal expliciet te behandelen met spinstroomconversie, en bepaalden dat de spinpolarisatie ten minste 80 procent was in de grafeenlaag.

"Grafeen staat bekend om zijn buitengewone eigenschappen in het vliegtuig, maar we wilden kijken naar de geleidbaarheid tussen gestapelde grafeenplaten en hoe ze interageren met andere materialen, "zei Cobas. Om dit te doen, NRL-onderzoekers ontwikkelden een recept om grote meerlaagse grafeenfilms direct op een gladde, kristallijne nikkellegeringsfilm met behoud van de magnetische eigenschappen van die film, vormde vervolgens de film in reeksen van dwarsbalkovergangen. "We wilden ook laten zien dat we deze apparaten kunnen produceren met standaard industrietools, niet slechts één apparaat maken, ’ voegde Cobas eraan toe.

Het fenomeen van spinfiltering is te wijten aan een interactie van de kwantummechanische eigenschappen van grafeen met die van een kristallijne nikkelfilm. Wanneer de nikkel- en grafeenstructuren op één lijn liggen, alleen elektronen met één spin kunnen gemakkelijk van het ene materiaal naar het andere gaan, een effect dat spinfiltering wordt genoemd, dat resulteert in spinpolarisatie van een elektrische stroom.

"Er is ruimte voor verbetering, aangezien de theorie suggereert dat het effect met een orde van grootte kan worden vergroot door het aantal grafeenlagen te verfijnen, " zei dr. Olaf van 't Erve, onderzoekwetenschapper, NRL Materiaalkunde en Technologie Divisie. "Echter, huidige modellen omvatten niet de spin-conversie die plaatsvindt in de ferromagnetische contacten. Zodra we rekening houden met die effecten, we zijn al dicht bij het ideale geval van 100 procent spinpolarisatie in de grafeenlaag, waardoor we onze apparaatgeometrie en materialen kunnen herzien om het effect te maximaliseren."

Het resultaat is relevant voor de volgende generatie niet-vluchtig magnetisch willekeurig toegankelijk geheugen (MRAM), die spin-gepolariseerde pulsen gebruikt om een ​​magnetisch bit van 0 naar 1 om te draaien en vice versa. Het kan ook worden gebruikt in toekomstige spinlogic-technologieën of als magnetische sensoren.