Grafeeni ja 2D-materiaalit voisivat ohittaa Mooren lain

Kuva spintronisista ilmiöistä 2D -van der Waalsin heterorakenteissa. Grafeeni toimii ihanteellisena spinien kuljetuskanavana sen spinien pitkien relaksaatioaikojen vuoksi. Kanavan keskellä kahta magneettista kontaktia käytetään injektoimaan tai havaitsemaan spinvirta. Magneettisten kontaktien tarve vältetään käyttämällä grafeenin ja siirtymämetalli-dikhalkogenidien heterorakenteita, jotka mahdollistavat suoran optisen spin-injektion (ylhäällä vasemmalla) ja suoran varauksen spin-muunnoksen (alhaalla oikealla).

Manchesterin yliopiston vetämä kansainvälinen tutkijaryhmä on julkaissut katsauksen spintronisten tietokonelaitteiden kehittämisestä grafeenin ja vastaavien 2D-materiaalien avulla.

Spintroniikka on elektroniikan ja magnetismin yhdistelmä nanomittakaavassa ja voisi mahdollistaa elektroniikan kehityksen Mooren lakia paremmalla nopeudella.

Spintroniset laitteet voivat tarjota suuremman energiatehokkuuden ja pienemmän hävikin verrattuna tavanomaiseen elektroniikkaan. Periaatteessa meillä voisi olla puhelimia ja tabletteja, jotka toimivat spinpohjaisilla transistoreilla ja muisteilla, mikä parantaa nopeutta ja tallennuskapasiteettia huomattavasti.

APS Journal Review of Modern Physics -lehdessä julkaistussa katsauksessa keskitytään heterorakenteiden tarjoamiin uusiin näkökulmiin ja niiden esiintuomiin ilmiöihin.

Manchesterin yliopiston tohtori Ivan Vera Marun toteaa: ”Grafeenispintroniikan jatkuva edistyminen ja laajemmin 2D-heterorakenteissa on johtanut spin-informaation tehokkaaseen luomiseen, siirtoon ja havaitsemiseen käyttämällä vaikutuksia, jotka eivät aiemmin olleet saavutettavissa pelkästään grafeenilla.

”Kun sekä perustavanlaatuisia että teknisiä näkökohtia jatketaan, uskomme, että ballistinen spinien kuljetus toteutetaan 2D-heterosrakenteissa, jopa huoneenlämpötilassa. Tällainen kuljetus mahdollistaisi elektroniaaltofunktioiden kvanttimekaanisten ominaisuuksien käytännön käytön, tuomalla 2D-materiaalien spinit tulevien kvanttilaskentatapojen palvelukseen."

Grafeenin ja muiden kaksiulotteisten materiaalien hallittu spin-kuljetus on tullut yhä lupaavammaksi sovellettavaksi laitteissa. Erityisen mielenkiintoista ovat räätälöidyt heterostruktuurit, jotka tunnetaan nimellä van der Waalsin heterostruktuurit ja jotka koostuvat kaksiulotteisten materiaalien pinoista tarkasti hallitussa järjestyksessä.

Miljardeja spintronisia laitteita, kuten antureita ja muisteja, tuotetaan jo nykyään. Jokaisessa kiintolevyasemassa on magneettinen anturi, joka hyödyntää spiniä ja magneettiset RAM-muistit (MRAM) ovat yhä suositumpia.

Artikkelin kirjoittanut professori Francisco Guinea toteaa: "Spintroniikan ala on tuonut esiin useita uusia näkökohtia kiinteiden aineiden käyttäytymisessä. Spinin kantajaelektronien liikkeen perustavanlaatuisten näkökohtien tutkiminen on yksi kaikkein aktiivisin kenttä tiiviin aineen fysiikassa.

"Uusien kvanttimateriaalien tunnistamista ja karakterisointi, joilla on ei-triviaalisia topologisia elektronisia ja magneettisia ominaisuuksia, tutkitaan intensiivisesti maailmanlaajuisesti sen jälkeen, kun vuonna 2004 oli muotoiltu topologisten eristeen käsite.

Spintroniikka on tutkimuksen ydin. Johtuen niiden puhtaudesta, lujuudesta ja yksinkertaisuudesta, 2D-materiaalit ovat paras tapa löytää nämä ainutlaatuiset topologiset piirteet, jotka liittyvät kvanttifysiikkaan, elektroniikkaan ja magnetismiin."

Kaiken kaikkiaan grafeenin ja siihen liittyvien 2D-materiaalien spintroniikan ala on siirtymässä käytännöllisten grafeenispintronisten laitteiden, kuten nano-oskillaattorien demonstrointiin avaruusviestinnän, suurten nopeuksien radiolinkkien, ajoneuvojen tutkien ja sirujen välisten viestintäsovellusten sovelluksiin.

Aiheesta aiemmin:

Hallittua spintroniikkaa grafeenissa

Spintroniikka näyttää kykynsä