In spintronica, het magnetische moment van elektronen (spin) wordt gebruikt om informatie over te dragen en te manipuleren. Een ultracompact 2D-spinlogic-circuit zou kunnen worden opgebouwd uit 2D-materialen die de spin-informatie over lange afstanden kunnen transporteren en ook een sterke spin-polarisatie van laadstroom kunnen bieden. Experimenten door natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen (Nederland) en de Universiteit van Colombia (VS) suggereren dat magnetisch grafeen de ultieme keuze kan zijn voor deze 2D-spinlogica-apparaten, omdat het efficiënt lading omzet in spinstroom en deze sterke spin-polarisatie kan overbrengen over lange afstanden. Deze ontdekking werd op 6 mei gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

Spintronic-apparaten zijn veelbelovende snelle en energiebesparende alternatieven voor de huidige elektronica. Deze apparaten gebruiken het magnetische moment van elektronen, zogenaamde spins ('up' of 'down') om informatie over te dragen en op te slaan. De voortdurende verkleining van geheugentechnologie vereist steeds kleinere spintronische apparaten en zoekt daarom naar atomair dunne materialen die actief grote spinsignalen kunnen genereren en de spin-informatie over micrometerlange afstanden kunnen overbrengen.

grafeen

Al meer dan een decennium, grafeen is het meest gunstige 2D-materiaal geweest voor het transport van spin-informatie. Echter, grafeen kan zelf geen spinstroom genereren, tenzij de eigenschappen ervan op de juiste manier worden gewijzigd. Een manier om dit te bereiken is om het te laten werken als een magnetisch materiaal. Het magnetisme zou de doorgang van één type spin bevorderen en zo een onbalans creëren in het aantal elektronen met spin-up versus spin-down. In magnetisch grafeen, dit zou resulteren in een sterk spin-gepolariseerde stroom.

Dit idee was nu experimenteel bevestigd door de wetenschappers van de groep Physics of Nanodevices onder leiding van prof. Bart van Wees aan de Rijksuniversiteit Groningen, Zernike instituut voor geavanceerde materialen. Toen ze grafeen in de buurt van een 2D gelaagde antiferromagneet brachten, CrSBr, ze konden direct een grote spin-polarisatie van stroom meten, gegenereerd door het magnetische grafeen.

Spin-logica

In conventionele op grafeen gebaseerde spintronische apparaten, ferromagnetische (kobalt) elektroden worden gebruikt voor het injecteren en detecteren van het spinsignaal in grafeen. In tegenstelling tot, in circuits opgebouwd uit magnetisch grafeen, de injectie, transport en detectie van de spins kan allemaal worden gedaan door het grafeen zelf, legt Talieh Ghiasi uit, eerste auteur van het artikel. "We detecteren een uitzonderlijk grote spin-polarisatie van geleidbaarheid van 14% in het magnetische grafeen dat naar verwachting ook efficiënt kan worden afgesteld door een transversaal elektrisch veld." Dit, samen met de uitstekende ladings- en spintransporteigenschappen van grafeen zorgt het voor de realisatie van volledig grafeen 2D spin-logic circuits waar alleen het magnetische grafeen kan injecteren, transporteren en detecteren van de spin-informatie.

Bovendien, de onvermijdelijke warmteafvoer die plaatsvindt in elektronische schakelingen wordt in deze spintronische apparaten in een voordeel omgezet. "We zien dat de temperatuurgradiënt in het magnetische grafeen als gevolg van de Joule-verwarming wordt omgezet in spinstroom. Dit gebeurt door het spinafhankelijke Seebeck-effect dat ook voor het eerst in grafeen wordt waargenomen in onze experimenten, ", zegt Ghiasi. De efficiënte elektrische en thermische opwekking van spinstromen door magnetisch grafeen belooft aanzienlijke vooruitgang voor zowel de 2D-spintronische als de spin-caloritronische technologieën.

Het spintransport in grafeen, verder, is zeer gevoelig voor het magnetische gedrag van de buitenste laag van de naburige antiferromagneet. Dit houdt in dat dergelijke spintransportmetingen het uitlezen van de magnetisatie van een enkele atoomlaag mogelijk maken. Dus, de op magnetische grafeen gebaseerde apparaten behandelen niet alleen de technologisch meest relevante aspecten van magnetisme in grafeen voor het 2D-geheugen en sensorische systemen, maar bieden ook meer inzicht in de fysica van magnetisme.

De toekomstige implicaties van deze resultaten zullen worden onderzocht in de context van het EU Graphene Flagship, die toewerkt naar nieuwe toepassingen van grafeen en 2D-materialen.