Kaksiulotteisilla kohti vähäkulutuksista elektroniikkaa

Yorkin yliopiston ja Roma Tren yliopiston tutkijat uskovat, että heidän uusi tutkimus saattaa avata tien paljon vähemmän energiaa kuluttavaan elektroniikkaan.

Ratkaisu löytyisi grafeenin ja siirtymämetallien dikalkogeenien (TMD) yksikerroksisissa komposiittimateriaaleissa. He havaitsivat, että näitä materiaaleja voitaisiin käyttää elektronin spinin tarkkaan sähköiseen ohjaukseen ja sitä kautta informaation hallintaan.

Yorkin yliopiston johtavan tutkijan Aires Ferreiran sanoin kuvattuna: "Olemme etsineet jo vuosia hyviä johtimia, jotka mahdollistavat tehokkaan elektronin spinin sähköisen hallinnan."

"Havaitsimme, että tämä voidaan saavuttaa pienellä vaivalla, kun kaksiulotteinen grafeeni yhdistetään tiettyjen puolijohteisten kerrostettujen materiaalien kanssa. Laskelmamme osoittavat, että pienten jännitteiden soveltaminen grafeenikerroksen yli indusoi johtavien spinien netto polarisaatiota."

Spinvirrat, jotka koostuvat vastakkaisiin suuntiin virtaavista ylös ja alas spineistä, eivät kanna nettovarausta joten teoriassa eivät myöskään lämpöä. Spin-informaation hallinta avaisi siten tietä kohti erittäin vähän energiaa käyttäviin tietokonesiruihin.

Tutkijaryhmä osoitti, että kun pieni virta kulkee grafeenikerroksen läpi, elektronien spin polarisoituu tasossa johtuen spin-kiertorata -voimista, jotka saa aikaan läheisyys TMD-perustaan. He osoittivat myös, että varaus-spin muunnoksen tehokkuus voi olla melko suuri jopa huoneenlämmössä.

Yorkin PhD-opiskelija Manuel Offidani suoritti suurimman osan tutkimuksen monimutkaisista laskelmista ja toteaa: "Elektronin spinin virtaindusoima polarisaatio on tyylikäs relativistinen ilmiö, joka syntyy eri materiaalien rajapinnassa.

Virran indusoima spinpolarisaatio ei-magneettisissa väliaineissa osoitettiin jo vuonna 2001 puolijohteissa ja viime aikoina metallisissa heterorajapinnoissa. Nyt tutkijat ennakoivat, että samanlainen vaikutus esiintyy TMD-monokerrosten päällä olevassa grafeenissa.

Yllättäen tutkijat havaitsivat, että grafeenin elektronisten tilojen ainutlaatuinen luonne mahdollistaa varaus-spin -muuntotehokkuuden jopa 94 prosentilla. Tämä avaa mahdollisuuden, että grafeenipohjainen komposiittimateriaali tulee pohjaksi erittäin kompakteille ja energiatehokkaille spin-logiikkalaitteille.