Natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen construeerden een tweedimensionale spintransistor, waarin spinstromen werden opgewekt door een elektrische stroom door grafeen. Een monolaag van een overgangsmetaal dichalcogenide (TMD) werd bovenop het grafeen geplaatst om lading-naar-spin-conversie in het grafeen te induceren. Deze experimentele observatie werd beschreven in het nummer van het tijdschrift Nano-letters gepubliceerd op 11 september 2019.

Spintronics is een aantrekkelijke alternatieve manier om elektronische apparaten met een laag vermogen te maken. Het is niet gebaseerd op een laadstroom maar op een stroom van elektronenspins. Spin is een kwantummechanische eigenschap van een elektron, een magnetisch moment dat kan worden gebruikt om informatie over te dragen of op te slaan.

Heterostructuur

grafeen, een 2D-vorm van koolstof, is een uitstekende spintransporter. Echter, om spins te creëren of te manipuleren, interactie van zijn elektronen met de atoomkernen is nodig:spin-baankoppeling. Deze interactie is erg zwak in koolstof, waardoor het moeilijk is om spinstromen in grafeen te genereren of te manipuleren. Echter, het is aangetoond dat spin-baankoppeling in grafeen zal toenemen wanneer er een monolaag van een materiaal met zwaardere atomen (zoals een TMD) bovenop wordt geplaatst, het creëren van een Van der Waals heterostructuur.

In de groep Physics of Nanodevices, onder leiding van prof.dr. Bart van Wees aan de Rijksuniversiteit Groningen, doctoraat student Talieh Ghiasi en postdoctoraal onderzoeker Alexey Kaverzin creëerden zo'n heterostructuur. Met behulp van gouden elektroden, ze waren in staat om een ​​zuivere laadstroom door het grafeen te sturen en een spinstroom te genereren, het Rashba-Edelstein-effect genoemd. Dit gebeurt door de interactie met de zware atomen van de TMD-monolaag (in dit geval wolfraamdisulfide). Dit bekende effect werd voor het eerst waargenomen in grafeen dat zich in de buurt van andere 2D-materialen bevond.

Symmetrieën

"De laadstroom induceert een spinstroom in het grafeen, die we konden meten met spin-selectieve ferromagnetische kobaltelektroden, ", zegt Ghiasi. Deze conversie van lading naar spin maakt het mogelijk om volledig elektrische spincircuits te bouwen met grafeen. de spins moesten door een ferromagneet worden geïnjecteerd. "We hebben ook aangetoond dat de efficiëntie van het genereren van de spinaccumulatie kan worden afgestemd door de toepassing van een elektrisch veld, ", vult Ghiasi aan. Dat betekent dat ze een spintransistor hebben gebouwd waarin de spinstroom kan worden in- en uitgeschakeld.

Het Rashba-Edelstein-effect is niet het enige effect dat een spinstroom produceert. Uit de studie blijkt dat het Spin-Hall-effect hetzelfde doet, maar dat deze spins anders georiënteerd zijn. "Als we een magnetisch veld toepassen, we laten de spins draaien in het veld. Verschillende symmetrieën van de spinsignalen gegenereerd door de twee effecten in interactie met het magnetische veld helpen ons de bijdrage van elk effect in één systeem te ontrafelen, " legt Ghiasi uit. Het was ook de eerste keer dat beide soorten lading-naar-spin-conversiemechanismen in hetzelfde systeem werden waargenomen. "Dit zal ons helpen om meer fundamentele inzichten te krijgen in de aard van spin-baankoppeling in deze heterostructuren. "

Grafeen vlaggenschip

Naast de fundamentele inzichten die het onderzoek kan opleveren, het bouwen van een volledig elektrische 2D-spintransistor (zonder ferromagneten) is van groot belang voor spintronische toepassingen, wat ook een doel is van het EU Graphene Flagship. "Dit geldt vooral omdat we het effect bij kamertemperatuur konden zien. Het spinsignaal nam af met toenemende temperatuur, maar was nog steeds erg aanwezig onder omgevingsomstandigheden."