Hallittua spintroniikkaa grafeenissa

Kuva anisotrooppisesta spininkuljetuksesta kaksikerroksisessa grafeenihiutaleessa injektori- ja ilmaisinelektrodien välillä. Tasosta poispäin olevat spinit siirtyvät hyvin kun taas tason mukaiset spinit rappeutuvat nopeasti. 

Groningenin yliopiston fysiikan tutkijat yhdessä Universität Regensburgin teoreettisten fyysikkojen kanssa ovat rakentaneet kaksikerroksisen grafeenirakenteen, joka osoittaa sekä pitkää spinin elinaikaa että spinin anisotropian sähköistä ohjausta.

Menettelyä voi käyttää käytännön sovelluksissa, kuten spin-pohjaisissa logiikkalaitteissa.

Monet tieteilijät tutkivat spinien käyttöä informaation kuljetukseen ja tallentamiseen. Tällä hetkellä spintroniikkatutkimuksen painopiste on materiaalien optimoinnissa spinien siirtoon ja hallintaan.

Grafeeni on erinomainen elektronien spinien johde mutta spinejä on siinä vaikea hallita niillä kun on hiilen kanssa heikko vuorovaikutus (spin-orbit coupling).

Groningenin yliopiston professori Bart van Weesin johtaman ryhmän aikaisempi työ sijoitti grafeenin siirtymämetalli-dikalkogeeni (TMD) materiaaliin, mikä loi tähän vahvan luontaisen spin-orbit -kytkennän. Tämä mahdollisti spin-virtojen hallinnan, mutta se tapahtuu spinin lyhentyneen elinajan kustannuksella.

Vuonna 2012 esitetyssä teoriassa ennustettiin anisotrooppinen spininkuljetus grafeenin kaksoiskerroksessa spin-orbit -kytkennän seurauksena. Anisotrooppinen spininkuljetus kuvaa tilannetta, jossa spinit, jotka osoittavat grafeenitasoon tai siihen poikittain, johtuvat eri tavoin.

Nyt tutkimustyössä todettu anisotrooppinen vahvuus on verrattavissa grafeeni/TMD rakenteisiin, mutta samalla havaittiin sata kertaa pidempi spinin elinikä.

Rakenteessa tasomaisesti siirtyvät spinit elävät huomattavasti lyhyempään kuin tasoon nähden poikittaiseti siirtyvät. Näin rakennetta voitaisiin käyttää spinvirtojen polarisoimiseksi. Saavutusta voisi hyödyntää esimerkiksi spin polarisaattoreissa.

Myös Columbusin Ohio State Universitystä on saatu vastaavanlaisia tuloksia sillä siellä tutkijat osoittivat, että sähkökentät voivat aiheuttaa epäsymmetrisen spin-orbit-kytkentän kaksikerroksisessa grafeenissa.

Aiheesta enemmän: Spintroniikka kohti käytäntöä