Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) koppelden grafeen, een monolaag vorm van koolstof, met dunne lagen magnetische materialen zoals kobalt en nikkel om exotisch gedrag in elektronen te produceren dat nuttig zou kunnen zijn voor computertoepassingen van de volgende generatie.

Het werk werd uitgevoerd in samenwerking met Franse wetenschappers, waaronder Nobelprijswinnaar Albert Fert, emeritus hoogleraar aan de Paris-Sud Universiteit en wetenschappelijk directeur van een onderzoekslaboratorium in Frankrijk. Het team voerde belangrijke metingen uit in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, een DOE Office of Science User Facility gericht op nanowetenschappelijk onderzoek.

Fert deelde in 2007 de Nobelprijs voor natuurkunde voor zijn werk in het begrijpen van een magnetisch effect in meerlaagse materialen die leidden tot nieuwe technologie voor het lezen van gegevens op harde schijven. bijvoorbeeld, en gaf aanleiding tot een nieuw veld dat bestudeert hoe een fundamentele eigenschap die bekend staat als "spin" in elektronen kan worden geëxploiteerd en gecontroleerd om een ​​nieuw type lage-energie aan te drijven, high-speed computergeheugen en logische technologie die bekend staat als spintronica.

In dit laatste werk online gepubliceerd op 28 mei in het tijdschrift Natuurmaterialen , het onderzoeksteam liet zien hoe die spin-eigenschap - analoog aan een kompasnaald die kan worden afgestemd op het noorden of het zuiden - wordt beïnvloed door de interactie van grafeen met de magnetische lagen.

De onderzoekers ontdekten dat de elektronische en magnetische eigenschappen van het materiaal kleine wervelende patronen creëren waar de lagen samenkomen, en dit effect geeft wetenschappers hoop om de richting van deze wervelingen te controleren en dit effect te gebruiken voor een vorm van spintronica-toepassingen die bekend staat als "spin-orbitronica" in ultradunne materialen. Het uiteindelijke doel is om op zeer kleine schaal gegevens snel en efficiënt op te slaan en te manipuleren, en zonder de warmteontwikkeling die een veelvoorkomend probleem is bij het miniaturiseren van computerapparatuur.

Typisch, onderzoekers die dit gedrag voor elektronen in materialen willen produceren, hebben zware en dure metalen zoals platina en tantaal gekoppeld aan magnetische materialen om dergelijke effecten te bereiken, maar grafeen biedt een potentieel revolutionair alternatief omdat het ultradun is, lichtgewicht, heeft een zeer hoge elektrische geleidbaarheid, en kan ook dienen als beschermlaag voor corrosiegevoelige magnetische materialen.

"Je zou kunnen denken aan het vervangen van harde schijven van computers door alle solid-state apparaten - geen bewegende delen - met alleen elektrische signalen, " zei Andreas Schmid, een stafwetenschapper bij de Molecular Foundry die deelnam aan het onderzoek. "Een deel van het doel is om een ​​lager stroomverbruik en niet-vluchtige gegevensopslag te krijgen."

Het laatste onderzoek is een eerste stap in de richting van dit doel, Schmid merkte op, en een volgende stap is het controleren van magnetische eigenschappen op nanoschaal, genaamd skyrmions, die een eigenschap kunnen vertonen die bekend staat als chiraliteit waardoor ze met de klok mee of tegen de klok in draaien.

In meer conventionele gelaagde materialen, elektronen die door de materialen reizen, kunnen werken als een "elektronenwind" die magnetische structuren verandert als een stapel bladeren die door een sterke wind wordt geblazen, zei Schmid.

Maar met het nieuwe met grafeen gelaagde materiaal, zijn sterke elektronenspin-effecten kunnen magnetische texturen van tegengestelde chiraliteit in verschillende richtingen sturen als gevolg van het "spin Hall-effect, " wat verklaart hoe elektrische stromen spin kunnen beïnvloeden en vice versa. Als die chiraliteit universeel kan worden uitgelijnd over een materiaal en op een gecontroleerde manier kan worden omgedraaid, onderzoekers zouden het kunnen gebruiken om gegevens te verwerken.

"Berekeningen van andere teamleden laten zien dat als je verschillende magnetische materialen en grafeen neemt en een meerlagige stapel van veel herhalende structuren bouwt, dan kan dit fenomeen en effect mogelijk zeer krachtig worden versterkt, ' zei Schmid.

Om het gelaagde materiaal te meten, wetenschappers pasten spin-gepolariseerde lage-energie-elektronenmicroscopie (SPLEEM) toe met behulp van een instrument in het National Center for Electron Microscopy van de Molecular Foundry. Het is een van de weinige gespecialiseerde apparaten over de hele wereld waarmee wetenschappers verschillende afbeeldingen kunnen combineren om in wezen de oriëntaties van het 3D-magnetisatieprofiel (of vector) van een monster in kaart te brengen, onthullend een zijn "spin texturen."

Het onderzoeksteam heeft de monsters ook gemaakt met hetzelfde SPLEEM-instrument via een nauwkeurig proces dat bekend staat als moleculaire bundelepitaxie, en afzonderlijk bestudeerde de monsters met behulp van andere vormen van elektronenstraal sondeertechnieken.

Gong Chen, een co-hoofdauteur die deelnam aan de studie als postdoctoraal onderzoeker bij de Molecular Foundry en nu een assistent-projectwetenschapper is bij de UC Davis Physics Department, zei dat de samenwerking voortkwam uit een discussie met Franse wetenschappers op een conferentie in 2016 - beide groepen hadden onafhankelijk van elkaar aan soortgelijk onderzoek gewerkt en realiseerden zich de synergie van samenwerking.

Terwijl de effecten die onderzoekers nu in de laatste experimenten hebben waargenomen decennia geleden in eerdere tijdschriftartikelen werden besproken, Chen merkte op dat het concept om een ​​atomair dun materiaal zoals grafeen te gebruiken in plaats van zware elementen om die effecten te genereren een nieuw concept was.

"Het is pas sinds kort een hot topic, " zei Chen. "Dit effect in dunne films was lange tijd genegeerd. Dit type meerlaagse stapeling is echt stabiel en robuust."

Het gebruik van skyrmions kan revolutionair zijn voor gegevensverwerking, hij zei, omdat informatie potentieel met veel hogere dichtheden kan worden opgeslagen dan mogelijk is met conventionele technologieën, en met een veel lager stroomverbruik.

Molecular Foundry-onderzoekers werken nu aan het vormen van het grafeen-magnetische meerlagige materiaal op een isolator of halfgeleider om het dichter bij potentiële toepassingen te brengen, zei Schmid.