Graphene Flagship-wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen, Nederland, hebben een apparaat gemaakt op basis van een blilaag van grafeen en boornitride die een ongekende spintransportefficiëntie bij kamertemperatuur vertoont. Het potentieel benadrukken van het maken van apparaten die grafeen en verwante materialen bevatten, het hier gemeten spinsignaal is zo groot dat het kan worden gebruikt in real-life toepassingen zoals op spin gebaseerde logica en transistors.

Gepubliceerd in Natuurcommunicatie , dit onderzoek, onder leiding van prof.dr. Bart van Wees, Rijksuniversiteit Groningen, Nederland, meldt een op grafeen gebaseerd apparaat waarin elektronenspins met hoge efficiëntie kunnen worden geïnjecteerd en gedetecteerd bij kamertemperatuur. De sleutel is het samenspel tussen het grafeen en het boornitride in de manier waarop ze elektronenspins geleiden.

Spin kan worden gezien als de rotatie van een elektron om zijn eigen as. Het is een vorm van intrinsiek impulsmoment en kan worden gedetecteerd als een magnetisch veld met een van de twee oriëntaties:op en neer. Elektronenspin is moeilijk te hanteren en verliest vaak richting na verloop van tijd. Om elektronenspin in een apparaat te gebruiken, spinpolarisatie is belangrijk - dit is het vermogen om de fractie elektronen te regelen met een spin omhoog of omlaag. "Spinpolarisatie kan worden bereikt door de elektronen door een ferromagnetisch materiaal te sturen, ’ legt van Wees uit.

Professor van Wees en zijn team toonden aan dat ze de efficiëntie van de injectie en detectie van spin-elektronen in grafeen aanzienlijk konden verbeteren door gebruik te maken van de isolator boornitride tussen de grafeenlaag en de ferromagnetische spin-injector/detector-elektroden.

"Grafeen is een zeer goed materiaal voor spintransport, maar het staat niet toe om de spins te manipuleren, " zegt van Wees "Om spins in het grafeen te injecteren, men moet ze van een ferromagneet door een boornitride-isolator laten gaan door middel van kwantumtunneling. We ontdekten dat het gebruik van een twee-atoomlaag van boornitride resulteerde in een zeer sterke spinpolarisatie tot 70 procent, 10 keer wat we normaal krijgen."

In de geproduceerde apparaten, de polarisatie nam toe met spanning, tegen het huidige denken dat het alleen de ferromagnetische invloed is die spin polariseert. In plaats daarvan, het lijkt erop dat het de kwantumtunneling is die de spin in zijn apparaten polariseert. De onderzoekers vonden ook een vergelijkbare tienvoudige toename in spindetectie in hetzelfde apparaat. "Dus over het algemeen het signaal nam met een factor 100 toe, ’ zei Van Wees.

Dit schept veel mogelijkheden. "We kunnen nu spins in grafeen injecteren en ze gemakkelijk meten nadat ze een bepaalde afstand hebben afgelegd. Een toepassing zou zijn als detector voor magnetische velden, wat het spin-signaal zal beïnvloeden."

Een andere mogelijkheid zou zijn om een ​​logische spin-poort of een spin-transistor te bouwen. Omdat de experimenten met het nieuwe apparaat bij kamertemperatuur werden uitgevoerd, dergelijke toepassingen zijn binnen handbereik. "Echter, " van Wees zegt, 'we gebruikten grafeen dat we verkregen door afschilfering, met plakband om monolagen van een stuk grafiet af te pellen. Dit is niet geschikt voor grootschalige productie." Technieken om op industriële schaal hoogwaardig grafeen te maken, staan ​​centraal in het Graphene Flagship.

Professor Vladimir Falko van het Graphene Flagship zegt:"Inkapseling van grafeen in boornitride en het gebruik van heterostructuren van deze twee materialen voor nieuwe apparaten, inclusief tunneltransistors, is een veelbelovende trend in grafeenonderzoek die eerder veel interessante resultaten heeft opgeleverd. De gerapporteerde observatie brengt grafeen-spintronica naar een kwalitatief nieuw niveau."

Spintronics richt zich op spintronic-apparaten van grafeen op kamertemperatuur, het samenbrengen van theoretisch en experimenteel onderzoek, en wordt gezien als een langetermijninvestering voor het Graphene Flagship. Nu er zoveel vooruitgang is geboekt op de afzonderlijke elementen om volledig functionele spintronische apparaten te produceren, de volgende stap is deze samen te voegen. Het onlangs gepubliceerde werk van Graphene Flagship Partner Professor Saroj Dash van Chalmers University, Zweden, toonde het vermogen om de hoeveelheid spin te regelen met een poortspanning, alles op kamertemperatuur. Het faciliteren van de samenwerking bij dit soort projecten is een centraal doel van het Graphene Flagship.