Grafeenin hiutaleista kvanttitransistoreita

Italialaisen Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzatin (SISSA) –tieteilijät ovat tutkineet grafeenin nanohiutaleita.

Tutkitut kuusikulmaiset nanorakenteet mahdollistaisivat kvantti-ilmiöiden hyödyntämisen virrankulun moduloinnissa. Luontaisten magneettisten ominaisuuksien ansiosta ne voivat lisäksi edustaa merkittävää edistysaskelta spintroniikan alalla.

Teoreettisella analyysillä ja simulaatioilla tehdyssä tutkimuksessa havaittiin kaksi keskeistä ilmiötä grafeenisten nanohiutaleiden ominaisuuksissa.

Ensimmäinen ilmiö liittyy elektronien ja sen kvantti-ilmiön välisiin interferensseihin: nanohiutaleissa elektronit interferoivat toisiaan tuhoisalla tavalla, jolloin virta ei kulje.

Tämän tyyppinen kvantti-ilmiö esiintyy vain hyvin pienissä mitoissa mutta samalla havaittiin, että ilmiö on mahdollista tuoda suurempaan järjestelmään, eli nanomaailmaan jossa se on havaittavissa ja jota voidaan hyödyntää mahdollisissa nanoelektroniikan käyttötavoissa.

Tällöin kyseessä olisi kvantti-interferenssin transistori, jossa tuhoisat interferenssit olisivat "off" -tila ja "on" -tilalle riittää interferenssin poistaminen, jolloin virta kulkee.

Lisäksi ilmeni, että nanohiutaleet osoittivat uusia magneettisia ominaisuuksia, jotka puuttuvat esimerkiksi kokonaisesta grafeenilevystä: Magnetismi ilmenee spontaanisti reunoilla ilman ulkopuolista vaikutusta. Tämä mahdollistaa spinvirran luomisen.

Kvantti-interferenssin ja magnetismin ilmiöiden välinen yhteys mahdollistaisi tuottaa lähes täydellisen spinpolarisaation, jolla on potentiaalia spintroniikan alalla, selittävät tutkijat. Näitä ominaisuuksia voitaisiin käyttää esimerkiksi tietotekniseen tallentamiseen ja käsittelyyn, tulkitsemalla spinin tilaa binäärikoodiksi.

”Tulokset ovat todella mielenkiintoisia. Nämä todisteet odottavat nyt kokeellista testiä, jotta voimme vahvistaa, mitä teoreettisesti ennustimme”, toteaa tutkimuksen vetäjä Massimo Capone.