Onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, hebben het spin-galvanische effect aangetoond, die de omzetting van niet-evenwichtsspindichtheid in een laadstroom mogelijk maakt. Hier, door grafeen te combineren met een topologische isolator, de auteurs realiseren een gate-afstembaar spin-galvanisch effect bij kamertemperatuur. De bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Wij geloven dat deze experimentele realisatie veel wetenschappelijke aandacht zal trekken en topologische isolatoren en grafeen op de kaart zal zetten voor toepassingen in spintronische en kwantumtechnologieën, " zegt universitair hoofddocent Saroj Prasad Dash, die de onderzoeksgroep leidt van het Quantum Device Physics Laboratory (QDP), de afdeling Microtechnologie en Nanowetenschappen-MC2.

grafeen, een enkele laag koolstofatomen, heeft buitengewone elektronische en spintransporteigenschappen. Echter, elektronen in dit materiaal ervaren een lage interactie van hun spin en orbitale hoekmomenten, spin-baankoppeling genoemd, waardoor het niet mogelijk is om afstembare spintronische functionaliteit te bereiken in ongerept grafeen. Anderzijds, unieke elektronische spintexturen en het fenomeen van spin-momentumvergrendeling in topologische isolatoren zijn veelbelovend voor opkomende spin-baangestuurde spintronica en kwantumtechnologieën. Echter, het gebruik van topologische isolatoren stelt verschillende uitdagingen in verband met hun gebrek aan elektrische gate-afstembaarheid, interferentie van triviale bulkstaten, en vernietiging van topologische eigenschappen op heterostructuurinterfaces.

"Hier, we pakken enkele van deze uitdagingen aan door tweedimensionaal grafeen te integreren met een driedimensionale topologische isolator in van der Waals-heterostructuren om te profiteren van hun opmerkelijke spintronische eigenschappen en een door nabijheid geïnduceerd spin-galvanisch effect bij kamertemperatuur te ontwikkelen, " zegt Dmitrii Chochriakov, doctoraat Student aan QDP, en eerste auteur van het artikel.

Omdat grafeen atomair dun is, de eigenschappen ervan kunnen drastisch veranderen wanneer andere functionele materialen ermee in contact worden gebracht, wat bekend staat als het nabijheidseffect. Daarom, op grafeen gebaseerde heterostructuren zijn een opwindend apparaatconcept omdat ze een sterke gate-afstembaarheid van nabijheidseffecten vertonen die voortvloeien uit de hybridisatie met andere functionele materialen. Eerder, het combineren van grafeen met topologische isolatoren in van der Waals heterostructuren, de onderzoekers hebben aangetoond dat een sterke nabijheid-geïnduceerde spin-baankoppeling kan worden geïnduceerd, die naar verwachting een Rashba-spinsplitsing in de grafeenbanden zal produceren. Als gevolg hiervan, het nabije grafeen zal naar verwachting het spin-galvanische effect bevatten, met de verwachte gate-afstembaarheid van zijn grootte en teken. Echter, dit fenomeen is niet eerder waargenomen in deze heterostructuren.

"Om dit spin-galvanische effect te realiseren, we ontwikkelden een speciaal Hall-bar-achtig apparaat van grafeen-topologische isolator-heterostructuren, " zegt Dmitrii Chochriakov.

De apparaten werden op nanoschaal vervaardigd in de ultramoderne cleanroom bij MC2 en gemeten in het Quantum Device Physics Laboratory. Het nieuwe apparaatconcept stelde de onderzoekers in staat om complementaire metingen uit te voeren in verschillende configuraties via spinschakelaar en Hanle spin-precessie-experimenten, geeft een ondubbelzinnig bewijs van het spin-galvanische effect bij kamertemperatuur.

"Bovendien, we waren in staat om een ​​sterke afstembaarheid en een tekenverandering van het spin-galvanische effect door het elektrische poortveld aan te tonen, wat dergelijke heterostructuren veelbelovend maakt voor de realisatie van volledig elektrische en gate-afstembare spintronische apparaten, " besluit Saroj Prasad Dash.