Rypyttämällä ultratehokasta elektroniikkaa

Rice Universityn tutkijat ovat havainneet, että kaksiulotteisten materiaalien pienet rypyt voivat hallita elektronien spiniä ennätystarkkuudella, mikä avaa tietä spinelektroniikalle.

Spintroniikan on kuitenkin kohdattava suuri haaste: Spiniin koodattu informaatio hajoaa nopeasti ja voi kadota, kun materiaalin elektronit siroavat ja törmäävät atomien kanssa.

Ricen materiaalitieteilijät ovat raportoineet, että atominohuiden materiaalikerrosten, kuten molybdeeniditelluridin, taivuttaminen synnyttää ainutlaatuisen spin-rakenteen, jota kutsutaan pysyväksi spin-heliksiksi eli PSH:ksi. Se voi säilyttää spinin tilan jopa sirontatörmäyksissä.

"Tyypillisissä materiaaleissa spin on sidottu elektronien liikemäärään, joten suunnan muuttaminen muuttaa spiniä, kun taas PSH-tiloja omaavissa materiaaleissa spin-tila pysyy kiinteänä", sanoo Sunny Gupta, tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja. "Hyvin harvat luonnossa esiintyvät materiaalit voivat sisältää PSH:ta, mikä tekee siitä harvinaista ja tähän asti vaikeasti valmistettavissa olevaa."

Materiaalitieteilijä Boris Yakobsonin johtama tutkimusryhmä oletti, että 2D-materiaalien rypyt voisivat olla tapa hallita elektronien spin-tiloja: Kun 2D-materiaalia taivutetaan, levyn yläpinta venyy ja alapinta puristuu kokoon. Tämä epätasainen venymä aiheuttaa positiivisten ja negatiivisten varausten siirtymisen hieman toisiinsa nähden, mikä tuottaa sisäisen sähkökentän – ilmiön, joka tunnetaan fleksoelektrisenä polarisaationa.

Taivutetussa 2D-materiaalissa elektronispinit vuorovaikuttavat levyn kaarevuuden luoman fleksoelektrisen vaikutuksen kanssa, mikä aiheuttaa spin-up- ja spin-down -elektronien jakautumisen erillisiksi vyöhykkeiksi tai alueiksi. Mitä suurempi kaarevuus, sitä voimakkaampi tämä vuorovaikutus on. Suurimmillaan kaarevat alueet tuottavat niin voimakkaan vaikutuksen, että elektronien spinit muodostavat halutun kierteen muodon ja vaihtuvat "ylös"- ja "alas"-tilojen välillä vain noin nanometrin matkalla.

"Aaltoilut ovat yleisiä 2D-materiaaleissa, ja ne näkyvät taitettuina ryppyinä tai itsestään pysyvinä hiusneulanmuotoisina silmukoina – luoden alueita, joilla on erittäin suuri kaarevuus", Gupta sanoi. "Osoitamme, että tällaisissa molybdeeniditelluridin hiusneulalaskoksissa PSH-tilat voivat saavuttaa noin nanometrin pituisen spinprekessionin – lyhimmän tähän mennessä raportoidun pituuden."

Lyhyt prekessiopituus tarkoittaa, että spintroniset laitteet voivat olla paljon kompaktimpia.

”Tämä työ esittelee 2D-materiaalien hallitun taivutuksen strategiana erilaisten ja eksoottisten kenttäprofiilien suunnitteluun”, sanoo Yakobson. ”Vaatimaton ’mekaaninen puristus’, joka tapahtuu helposti 2D-materiaaleissa, jakaa spinit ja indusoi PSH-rakenteen.”

Gupta huomautti, että tutkimuksen lähtökohta oli jossain määrin epälooginen, koska "kvanttikäyttäytyminen ja elastinen mekaniikka ovat kaksi eri fysiikan aluetta, jotka harvoin leikkaavat toisiaan".

”Osoitimme tässä, että 2D-materiaalien geometrian tai muodon makroskooppiset muutokset eivät ainoastaan vaikuta elektronien spinin ja ytimien väliseen syvään kvanttirelativistiseen vuorovaikutukseen, vaan myös että tätä vaikutusta voidaan hyödyntää eksoottisten spin-tekstuurien luomiseksi uudenlaiseen spintroniikkaan”, hän sanoi.

Aiheesta aiemmin:

2D-materiaalit mutkalle ja avaruuteen

Atominohut eriste kuljettaa spinejä

Kaksiseinäisillä nanoputkilla on elektro-optisia etuja