Kaksiulotteisia spin transistoreita ja muuntimia

Nanorakenne, jota käytetään varaus-spin -muunnoksen havainnointiin grafeenin ja WS2:n van der Waals heterorakenteessa. Violetti ja punaiset nuolet osoittavat vastaavasti varausvirran ja generoituvan spinvirran.

Groningenin yliopiston fyysikot ovat rakentaneet kaksiulotteisen spin-transistorin, jossa spin-virrat syntyvät sähkövirralla grafeenin läpi. Grafeenin päälle asetettiin volframidisulfidin (WS2) kerros, jotta saadaan indusoitua varaus/spin -muunnos grafeenissa.

Spintroniikka on houkutteleva vaihtoehto luoda pienitehoisia elektronisia laitteita. Spin on elektronin kvanttimekaaninen ominaisuus, magneettinen momentti, jota voidaan käyttää informaation siirtämiseen tai tallentamiseen.

Grafeeni on erinomainen spinien kuljettaja. Spinien luomiseksi tai manipuloimiseksi tarvitaan kuitenkin sen elektronien vuorovaikutus atomiytimien kanssa: spin-kiertorata -kytkentä. Tämä vuorovaikutus on kuitenkin hiilessä erittäin heikko.

Jo aiemmin on osoitettu, että spin-orbit -kytkentä grafeenissa kasvaa, kun päälle asetetaan yksi kerros raskaampia atomeja sisältävää materiaalia (kuten TMD), jolloin syntyy Van der Waalsin heterorakenne.

Groningenin tutkijat loivat tällaisen rakenteen. Kultaelektrodien avulla he pystyivät siirtämään puhtaan varausvirran grafeenin läpi ja tuottamaan spinvirran, jota kutsutaan Rashba-Edelsteinin vaikutukseksi. Lisäksi tutkimusjärjestely osoitti myös Spin-Hall -ilmiön tuottamaa spinvirtaa, jossa spinit ovat suuntautuneet eri tavalla.

Spinvirta syntyy vuorovaikutuksessa volframidisulfidin raskaiden atomien kanssa. Lisäksi tutkijat osoittivat, että spinien kertymisen syntymisen tehokkuutta voidaan säätää sähkökentän avulla. Tämä tarkoittaa, että he ovat rakentaneet spintransistorin, jossa spinvirta voidaan kytkeä päälle ja pois. Lisäksi tämä kaksiulotteinen täysin sähköinen spintransistori toimii huonelämpötilassa.

Tokion yliopiston fyysikot ovat puolestaan luoneet edullisen tavan valmistaa spintronisia rakenteita.

Uusi valmistusmenetelmä on mielenkiintoinen, koska siinä käytetään orgaanisia molekyylejä, jotka ovat suhteellisen helppo konfiguroida eri tarkoituksiin. Molekyylikerrokset voitaisiin maalata tai tulostaa metalleille uusien elektronisten toimintojen luomiseksi.

Hironari Isshiki ja hänen ryhmänsä Tokion yliopistosta ovat onnistuneesti osoittaneen spinvirran muuntamisen varausvirraksi kuparinäytteellä, yksinkertaisen maalipäällysteen avulla. Se on vain yhden molekyylin paksuinen kerros orgaanista ainetta.

Laitteen muuntohyötysuhde on verrattavissa epäorgaanisilla metallisilla materiaaleilla, kuten platinasta tai vismutista, valmistettuihin rakenteisiin. Epäorgaanisiin verrattuna orgaanisten materiaalien käsittely on kuitenkin paljon helpompaa.

Seuraavaksi tutkijoilla on tarkoitus etsiä vastaavaa rakennetta toteuttamaan päinvastaisen toiminta eli varausvirta spinvirraksi muunnosta.

Aiheesta aiemmin:

Spintroniikka näyttää kykynsä

Lupaavia spintronisia materiaaleja