Om transistors te maken die werken met behulp van de spin van elektronen in plaats van hun lading, het is noodzakelijk om een ​​manier te vinden om spinstromen aan en uit te schakelen. Verder, de levensduur van de spins moet minimaal gelijk zijn aan de tijd die deze elektronen nodig hebben om door een circuit te reizen. Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen hebben nu een belangrijke stap voorwaarts gezet door een apparaat te maken dat aan beide eisen voldoet, gebaseerd op een dubbele laag grafeen bovenop een laag wolfraamdisulfide. Hun resultaten zijn op 16 oktober gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling B .

grafeen, een tweedimensionale vorm van koolstof, is een uitstekende geleider van elektronenspins. Echter, het is moeilijk om spinstromen in dit materiaal te manipuleren. Spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen, waardoor ze zich gedragen als kleine magneten. De groep Physics of Nanodevices van de Rijksuniversiteit Groningen, onder leiding van prof.dr. Bart van Wees, werkt aan dit probleem. Ze hebben eerder aangetoond dat het mogelijk is om spinstromen te beheersen als het grafeen bovenop een laag wolfraamdisulfide (een ander 2D-materiaal) wordt geplaatst.

Nieuwe techniek

"Echter, deze benadering verkort de levensduur van de spins, " legt Siddhartha Omar uit, een postdoc in de Van Wees groep. Wolfraam is een metaal, en zijn atomen beïnvloeden de elektronen die door het grafeen gaan, het dissiperen van de spinstromen. Dit bracht Omar ertoe een dubbele laag grafeen te gebruiken op het wolfraamdisulfide, gebaseerd op de theorie dat elektronen die door de bovenste laag gaan, minder de invloed van de metaalatomen zouden moeten 'voelen'.

Omar gebruikte ook een andere nieuwe techniek, waarbij twee verschillende soorten spinstroom door het grafeen worden geleid. Spin is een magnetisch moment dat een bepaalde richting heeft. Bij normale materialen de spins zijn niet uitgelijnd. Echter, het magnetische moment van spinstromen - zoals dat van magneten - heeft een preferentiële uitlijning. Ten opzichte van het materiaal waar de elektronen doorheen gaan, hun spins kunnen ofwel een in-plane oriëntatie of een out-of-plane oriëntatie hebben.

Energie level

"We hebben gevonden dat, als de elektronen door de buitenste grafeenlaag gaan, de spins in het vlak verdwijnen zeer snel - in slechts picoseconden. Echter, de levensduur van de out-of-plan spins is ongeveer honderd keer langer." Dit betekent dat, zelfs in aanwezigheid van wolfraamdisulfide, één component van spinstromen (spins met een oriëntatie buiten het vlak) kan ver genoeg reizen om te worden gebruikt in apparaten zoals transistors.

Het energieniveau van de spinstromen die door Omar werden waargenomen, zorgde ervoor dat ze door de bovenste laag grafeen gingen. Dit energieniveau kan worden verhoogd door een elektrisch veld aan te leggen, de spinstromen naar de onderste laag duwen. "Daar beneden, de spins zullen het volledige effect van de metaalatomen voelen en de spinstromen zullen snel verdwijnen, " legt Omar uit. Dit vermogen om de spinstroom uit te schakelen met behulp van een elektrisch veld is belangrijk, omdat het zou kunnen worden gebruikt om transistors te 'poorten' op basis van deze technologie.

"Helaas, bepaalde technische beperkingen van het substraat waarop we deze apparaten hebben gebouwd, voorkomen dat we elektrische velden creëren die sterk genoeg zijn om dit poorteffect te produceren, " zegt Omar. "Echter, we hebben laten zien dat het mogelijk is om spinstromen door een heterostructuur van grafeen en wolfraamdisulfide te sturen. Dat is een belangrijke stap op weg naar de creatie van een spintransistor."