Nu moderne elektronische apparaten de grenzen van de wet van Moore naderen en de voortdurende uitdaging van vermogensdissipatie in het ontwerp van geïntegreerde schakelingen bestaat, is er behoefte aan het verkennen van alternatieve technologieën die verder gaan dan de traditionele elektronica. Spintronics vertegenwoordigt zo'n aanpak die deze problemen zou kunnen oplossen en het potentieel zou kunnen bieden voor het realiseren van apparaten met een lager vermogen.

Een samenwerking tussen onderzoeksgroepen onder leiding van professor Barbaros Özyilmaz en assistent-professor Ahmet Avsar, beiden verbonden aan de afdeling Natuurkunde en de afdeling Materials Science and Engineering van de National University of Singapore (NUS), heeft een belangrijke doorbraak bereikt door de ontdekking van de zeer anisotrope spintransportkarakter van tweedimensionale zwarte fosfor.

De bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Materials .

In tegenstelling tot de conventionele beweging van lading in elektronische apparaten, richt spintronica zich op baanbrekende apparaten die de intrinsieke eigenschap van elektronen manipuleren, bekend als 'spin'. Net als bij ladingen in elektronen, geeft spin elektronen een rotatiekwaliteit alsof ze rond een as draaien, waardoor ze zich gedragen als kleine magneten, die zowel een grootte als een richting hebben.

De elektronenspin kan in een van de twee toestanden bestaan, ook wel spin "up" of spin "down" genoemd. Dit is analoog aan rotatie met de klok mee of tegen de klok in.

Terwijl traditionele elektronische apparaten werken door ladingen door het circuit te verplaatsen, werkt spintronica door de elektronenspin te manipuleren. Dit is belangrijk omdat het verplaatsen van elektrische ladingen rond traditionele elektrische circuits er noodzakelijkerwijs voor zorgt dat er wat vermogen verloren gaat in de vorm van warmte, terwijl de beweging van de spin intrinsiek niet zoveel warmte afvoert. Deze eigenschap zou mogelijk de werking van apparaten met een lager vermogen mogelijk kunnen maken.

Onderzoekers zijn vooral geïnteresseerd in het gebruik van materialen met de atomaire dunne limiet om de eigenschappen van spin-"kanalen" te onderzoeken, die lijken op draden die het transport van spins kunnen vergemakkelijken.

Prof. Özyilmaz benadrukte het belang van de materiaalkeuze in spintronica-apparaten en zei:"Het kiezen van het juiste materiaal is van het grootste belang in de spintronica. Zeer performante en functionele spinkanaalmaterialen vormen de ruggengraat van spintronica-apparaten, waardoor we spins voor diverse toepassingen kunnen manipuleren en controleren."

Zwarte fosfor is zo'n opkomend materiaal dat aandacht krijgt vanwege zijn gunstige spintronische eigenschappen. Zwarte fosfor heeft een unieke gebobbelde kristalstructuur en dit betekent dat het gedrag van de spins ook afhankelijk is van hun richting.

Professor Avsar zei:"Zwarte fosfor vertoont een zeer anisotroop spintransport, dat afwijkt van het normale isotrope gedrag dat wordt waargenomen bij conventionele spinkanaalmaterialen. De kristalstructuur verleent richtingskarakteristieken aan het spintransport, wat nieuwe mogelijkheden biedt voor het besturen van spintronica-apparaten."

De onderzoekers vervaardigden ultradunne op zwarte fosfor gebaseerde spinkleppen, ingekapseld tussen zeshoekige boornitridelagen. De spintransportanisotropie werd bestudeerd door spins in de zwarte fosfor aan het ene uiteinde van het apparaat te injecteren en het spinsignaal aan het andere uiteinde te meten door de richting van de spinstroom te veranderen.

Metingen zijn uitgevoerd terwijl een sterk magnetisch veld loodrecht op de zwarte fosforlaag werd aangelegd en dit werd vergeleken met de velden waarbij een zwak magnetisch veld werd aangelegd.

De onderzoekers merkten op dat de toepassing van een sterk magnetisch veld resulteerde in een grote toename van het spinsignaal. Dit effect komt voort uit de gebobbelde kristalstructuur, omdat het sterke magnetische veld de spins dwingt om uit het vlak van het materiaal te wijzen, waardoor hun interactie met hun omgeving verandert en hun levensduur met een factor zes wordt verlengd.

Deze studie onthult ook dat ultradunne zwarte fosfor een elektrisch instelbare spinlevensduur van nanoseconden vertoont met behulp van een achterpoort. De uitzonderlijke spin-anisotropie, gekoppeld aan de mogelijkheid om spintransport elektrisch te moduleren, maakt het mogelijk nieuwe apparaten te creëren die niet alleen worden bestuurd door de binaire toestand van spin (omhoog of omlaag), maar ook gebruik maken van spin-anisotropie om directionele controle te bereiken.

Dit positioneert zwarte fosfor als een uniek platform voor superieure manipulatie van spins – een cruciale vooruitgang op het gebied van spintronica.

Meer informatie: Luke Cording et al, Zeer anisotroop spintransport in ultradunne zwarte fosfor, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01779-8

Journaalinformatie: Natuurmaterialen

Aangeboden door de Nationale Universiteit van Singapore