Natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen hebben in samenwerking met een theoretische natuurkundegroep van de Universität Regensburg een geoptimaliseerd dubbellaags grafeenapparaat gebouwd dat zowel lange spinlevens als elektrisch regelbare spin-levenslange anisotropie weergeeft. Het heeft het potentieel voor praktische toepassingen zoals op spin gebaseerde logische apparaten. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven op 20 sept.

Het miniaturiseren van de elementen van computersystemen in de afgelopen 60 jaar heeft hun mogelijkheden vergroot, waardoor ze zich kunnen verspreiden naar bijna alle aspecten van het dagelijks leven. Microprocessors hebben nu een schaal van minder dan 100 atomen bereikt en naderen fundamentele limieten. Door hogere eisen, er zijn nieuwe concepten nodig die verbeterde functionaliteiten kunnen bieden. In deze context, onderzoekers bestuderen het gebruik van spin voor het transport en de opslag van informatie. Spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen, wat hen een magnetisch moment geeft dat kan worden gebruikt om informatie over te dragen of op te slaan. Het gebied van op spin gebaseerde elektronica (spintronica) heeft al zijn weg gevonden naar de harde schijven van computers, en belooft ook een revolutie teweeg te brengen in verwerkingseenheden.

Grafeen is een uitstekende geleider van elektronenspins, maar het is moeilijk om spins in dit materiaal te beheersen vanwege hun zwakke interactie met de koolstofatomen (de spin-baankoppeling). Eerder werk van de Physics of Nanodevices-groep van de RUG onder leiding van professor Bart van Wees plaatste grafeen in de buurt van een overgangsmetaal dichalcogenide, een gelaagd materiaal met een hoge intrinsieke spin-baan koppelingssterkte. De hoge spin-baankoppelingssterkte werd overgebracht naar grafeen via een korteafstandsinteractie op het grensvlak. Dit maakte het mogelijk om de spinstromen te regelen, maar alleen ten koste van een kortere spinduur.

In de nieuwe studie de onderzoekers slaagden erin om spinstromen in een grafeendubbellaag te beheersen. "Dit was eigenlijk voorspeld in een theoretische paper in 2012, maar de technologie om het effect nauwkeurig te meten kwam pas onlangs beschikbaar, " legt Christian Leutenantsmeyer uit, een doctoraat student in de Van Wees-groep en eerste auteur van de PRL-paper. Het artikel is een samenwerking tussen de Van Wees-groep en een theoretische natuurkundegroep van de Universität Regensburg in Duitsland.

Het artikel uit 2012 voorspelde anisotroop spintransport in grafeendubbellagen als gevolg van spin-baankoppeling in dubbellaags grafeen. Anisotroop spintransport beschrijft de situatie waarin spins die in of uit het grafeenvlak wijzen, met verschillende efficiënties worden geleid. Dit werd waargenomen in de apparaten die Leutenantsmeyer en zijn collega's produceerden.

De spinstroom kan ook worden geregeld met behulp van spin-levenslange anisotropie, aangezien spins in het vlak veel korter leven dan spins buiten het vlak, en zou kunnen worden gebruikt in apparaten om spinstromen te polariseren. Leutenantsmeyer zegt, "We ontdekten dat de sterkte-anisotropie vergelijkbaar is met grafeen / overgangsmetaal dichalcogenide-apparaten, maar we hebben een 100 keer grotere spin-levensduur waargenomen. We hebben daardoor zowel efficiënt spintransport als efficiënte controle van spins bereikt."

Het werk geeft inzicht in de fundamentele eigenschappen van spin-baankoppeling in dubbellaags grafeen. "En bovendien, onze bevindingen openen nieuwe wegen voor de efficiënte elektrische controle van spins in hoogwaardig grafeen, een mijlpaal voor grafeen."