Natuurkundigen van KAIST beschreven een route om de energie-efficiënte opwekking te ontwerpen, manipulatie en detectie van spinstromen met behulp van niet-magnetische tweedimensionale materialen. Het onderzoeksteam, onder leiding van professor Sungjae Cho, waargenomen zeer efficiënte interconversie van lading naar spin via het gate-tunable Rashba-Edelstein-effect (REE) in heterostructuren van grafeen.

Dit onderzoek maakt de weg vrij voor de toepassing van grafeen als een actieve spintronische component voor het genereren, controlerend, en het detecteren van spinstroom zonder ferromagnetische elektroden of magnetische velden.

Grafeen is een veelbelovende spintronische component vanwege de lange spindiffusielengte. Echter, de kleine spin-baankoppeling beperkt het potentieel van grafeen in spintronische toepassingen, omdat grafeen niet kan worden gebruikt om te genereren, controle, of spinstroom detecteren.

"We hebben met succes de spin-baankoppeling van grafeen vergroot door grafeen op 2H-TaS te stapelen ₂ , dat is een van de overgangsmetaal dichalcogenide materialen met de grootste spin-baan koppeling. Grafeen kan nu worden gebruikt om te genereren, controle, en detecteren spinstroom, ' zei professor Cho.

Het Rashba-Edelstein-effect is een fysiek mechanisme dat interconversie van laadstroom-naar-spinstroom mogelijk maakt door spin-afhankelijke bandstructuur geïnduceerd door het Rashba-effect, een momentumafhankelijke splitsing van spinbanden in laagdimensionale systemen van gecondenseerde materie.

De groep van professor Cho demonstreerde voor het eerst het gate-afstembare Rashba-Edelstein-effect in een meerlagig grafeen. Het Rahsba-Edelstein-effect zorgt ervoor dat de tweedimensionale geleidingselektronen van grafeen worden gemagnetiseerd door een aangelegde laadstroom en een spinstroom vormen. Verder, als het Fermi-niveau van grafeen, afgestemd door poortspanning, beweegt van de valentieband naar de geleidingsband, de spinstroom gegenereerd door grafeen keerde zijn spinrichting om.

Deze spin-omkering is nuttig bij het ontwerp van transistors met een laag stroomverbruik die spins gebruiken, omdat het de draaggolf 'aan'-toestand voorziet van spin-up-gaten (of spin-down-elektronen) en de 'uit'-toestand met nul netto spinpolarisatie op zo zogenaamde 'ladingsneutraliteitspunt' waar het aantal elektronen en gaten gelijk is.

"Ons werk is de eerste demonstratie van lading-naar-spin interconversie in een metalen TMD (transitie-metaal dichalcogenide) en grafeen heterostructuur met een spinpolarisatietoestand gecontroleerd door een poort. We verwachten dat het volledig elektrische spin-switching effect en de omkering van niet-evenwichtige spinpolarisatie door toepassing van poortspanning is toepasbaar voor de energie-efficiënte opwekking en manipulatie van spinstromen met behulp van niet-magnetische van der Waals-materialen, " legde professor Cho uit.