Natuurkundigen van de Nationale Universiteit van Singapore (NUS) hebben een concept ontwikkeld om spinsplitsing in tweedimensionale materialen te induceren en direct te kwantificeren. Door dit concept te gebruiken, hebben ze experimenteel een grote afstembaarheid en een hoge mate van spin-polarisatie in grafeen bereikt. Deze onderzoeksprestatie kan mogelijk het veld van tweedimensionale (2D) spintronica vooruit helpen, met toepassingen voor elektronica met laag vermogen.

Joule-verwarming vormt een aanzienlijke uitdaging in de moderne elektronica, vooral in apparaten zoals personal computers en smartphones. Dit is een effect dat optreedt wanneer de elektrische stroom die door een materiaal gaat thermische energie produceert, waardoor de temperatuur van het materiaal stijgt. Eén mogelijke oplossing omvat het gebruik van spin in plaats van lading in logische circuits. Deze circuits kunnen in principe een laag stroomverbruik en ultrasnelle snelheid bieden, dankzij de vermindering of eliminatie van Joule-verwarming. Dit heeft aanleiding gegeven tot het opkomende vakgebied van de spintronica.

Grafeen is een ideaal 2D-materiaal voor spintronica, vanwege de lange spindiffusielengte en lange spinlevensduur, zelfs bij kamertemperatuur. Hoewel grafeen niet inherent spin-gepolariseerd is, kan het ertoe worden aangezet spin-splitsgedrag te vertonen door het in de buurt van magnetische materialen te plaatsen. Er zijn echter twee belangrijke uitdagingen. Er is een gebrek aan directe methoden om de spin-splitsende energie te bepalen en er is een beperking in de spin-eigenschappen en afstembaarheid van grafeen.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Ariando van het Departement Natuurkunde, NUS, ontwikkelde een innovatief concept om spin-splitsende energie in magnetisch grafeen rechtstreeks te kwantificeren met behulp van de Landau-waaierverschuiving. Landau-fanshift verwijst naar de verschuiving van het onderscheppingspunt bij het uitzetten van lineaire oscillatiefrequenties met ladingsdragers, wat het gevolg is van de splitsing van de energieniveaus van geladen deeltjes in een magnetisch veld. Het kan worden gebruikt om de fundamentele eigenschappen van materie te bestuderen. Bovendien kan de geïnduceerde spin-splitsende energie over een breed bereik worden afgestemd door een techniek die veldkoeling wordt genoemd.

De waargenomen hoge spinpolarisatie in grafeen, gekoppeld aan de afstembaarheid ervan in spinsplitsende energie, biedt een veelbelovende weg voor de ontwikkeling van 2D-spintronica voor elektronica met laag vermogen.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials .

De onderzoekers voerden een reeks experimenten uit om hun aanpak te valideren. Ze begonnen met het creëren van een magnetische grafeenstructuur door een monolaag grafeen op een magnetisch isolerend oxide Tm₃ te stapelen. Fe₅ O₁₂ (TmIG). Dankzij deze unieke structuur konden ze de Landau-ventilatorverschuiving gebruiken om de spin-splitsende energiewaarde van 132 meV in het magnetische grafeen direct te kwantificeren.

Om de directe relatie tussen de Landau-waaierverschuiving en spin-splitsende energie verder te bevestigen, voerden de onderzoekers veldkoelingsexperimenten uit om de mate van spin-splitting in grafeen af ​​te stemmen. Ze pasten ook röntgenmagnetisch circulair dichroïsme (XMCD) toe bij de Synchrotron-lichtbron in Singapore om de oorsprong van de spin-polarisatie te onthullen.

Dr. Junxiong Hu, de hoofdauteur van het onderzoeksartikel, zei:"Ons werk lost de al lang bestaande controverse in 2D-spintronica op door een concept te ontwikkelen dat de Landau-fanshift gebruikt om de spinsplitsing in magnetische materialen direct te kwantificeren." /P>

Om hun experimentele bevindingen verder te ondersteunen, werkten de onderzoekers samen met een theoretisch team onder leiding van professor Zhenhua Qiao van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China, om de spinsplitsingsenergie te berekenen met behulp van eerste principeberekeningen.

De verkregen theoretische resultaten waren consistent met hun experimentele gegevens. Bovendien gebruikten ze ook machinaal leren om hun experimentele gegevens aan te passen op basis van een fenomenologisch model, dat een dieper inzicht geeft in de afstembaarheid van spin-splitsende energie door veldkoeling.

Professor Ariando zei:"Ons werk ontwikkelt een robuuste en unieke route om de spin van elektronen in atomair dunne materialen te genereren, detecteren en manipuleren. Het demonstreert ook een praktisch gebruik van kunstmatige intelligentie in de materiaalkunde. Met de snelle ontwikkeling en aanzienlijke belangstelling voor de veld van 2D-magneten en door stapeling geïnduceerd magnetisme in atomair dunne Van der Waals-heterostructuren, geloven wij dat onze resultaten kunnen worden uitgebreid naar verschillende andere 2D-magnetische systemen."

Voortbouwend op deze proof-of-concept-studie is het onderzoeksteam van plan de manipulatie van spinstroom bij kamertemperatuur te onderzoeken. Hun doel is om hun bevindingen toe te passen bij de ontwikkeling van 2D-spinlogische circuits en magnetische geheugen-/sensorische apparaten.

Het vermogen om de spinpolarisatie van stroom efficiënt af te stemmen vormt de basis voor de realisatie van volledig elektrische spinveldeffecttransistors, waarmee een nieuw tijdperk van laag stroomverbruik en ultrasnelle elektronica wordt ingeluid.

Meer informatie: Junxiong Hu et al., Afstembare spin-gepolariseerde toestanden in grafeen op een ferrimagnetische oxide-isolator, Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202305763

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Aangeboden door de Nationale Universiteit van Singapore