Elektronik bygger på manipulation av elektroner och andra laddningsbärare, men förutom avgift, elektroner har en egenskap som kallas spin. När spinn manipuleras med magnetiska och elektriska fält, resultatet är en spinnpolariserad ström som bär mer information än vad som är möjligt med enbart laddning. Spin-transportelektronik, eller spintronics, är föremål för aktiv undersökning inom Europas flaggskepp av grafen.

Spintronics är studien och utnyttjandet av elektronspin och dess tillhörande magnetiska moment i solid-state-enheter, tillsammans med elektrisk laddning. Vissa anser att ämnet är esoteriskt, med tanke på den begreppsmässigt utmanande kvantfysiken och kemin som ligger till grund för den, men samma sak sa en gång om vad som idag är mainstreamelektronik. Verkligheten är att spintronik är ett mognande område inom tillämpad vetenskap och ingenjörskonst, samt fascinerande ren vetenskap i sin egen rätt.

Elektronspin och kvantlogik

Innan vi tittar på spintronik i grafen, Det är värt att notera att spintronics redan är etablerad inom ett kritiskt område av digital elektronik, nämligen datalagring.

Spinn kan ses som rotationen av elektronen runt sin egen axel. Det är en form av inneboende rörelsemängd, och kan detekteras som ett magnetfält med en av två orienteringar:upp och ner. Kombinera dessa magnetiska orienteringar med på/av-strömtillstånden i binär logik, och vi har ett system med fyra stater, med de två magnetiska orienteringarna som bildar en kvantbit, eller qubit.

När det gäller datorteknik, fyra tillstånd snarare än två ger högre dataöverföringshastigheter, ökad processorkraft och minnestäthet, och extra lagringskapacitet. Elektronspin ger en extra grad av frihet att lagra och manipulera information.

Läshuvudena på moderna magnetiska hårddiskar utnyttjar de spinnrelaterade effekterna som kallas Giant Magnetoresistance (GMR) och Tunnel Magnetoresistance (TMR). I GMR-enheter, två eller flera lager av ferromagnetiska material separeras av en distans. När magnetiseringsvektorerna för de magnetiska lagren är inriktade, det elektriska motståndet är lägre än när vektorerna är i motsatt mening. En anordning baserad på en sådan konfiguration är känd som en spinnventil. I TMR, elektrontransport uppnås genom kvantmekanisk tunnling av partiklarna genom en isolator som separerar ferromagnetiska skikt.

I båda fallen, resultatet är en magnetfältssensor som kan användas för att läsa data magnetiskt kodade på hårddiskplattor. Och inte bara hårddiskar. Två typer av datorminne – Magnetoresistive Random Access Memory och racerbanaminne – utnyttjar också elektronspin.

Spinntransport i grafen

grafen, ett atomärt monolager av grafitkol, är ett lovande material för spintroniktillämpningar på grund av dess kapacitet för rumstemperatur spinntransport över relativt långa diffusionslängder på flera mikrometer. Grafen har också hög elektronrörlighet, och en avstämbar laddningsbärarkoncentration.

Intresset för rumstemperatur spinntransport i grafen går tillbaka till 2007, med experiment utförda av forskargruppen av Groningen University fysiker och ledande Graphene Flagship forskare Bart van Wees. En diskussion om den första praktiska demonstrationen av spinntransport, tillsammans med en detaljerad teknisk översikt av grafenspintronik i teori och praktik, finns i en artikel som publicerades förra året i den akademiska tidskriften Naturens nanoteknik . En av recensionsförfattarna är den Regensburg-baserade flaggskeppsforskaren Jaroslav Fabian.

Van Wees-gruppens experiment och efterföljande studier visade en relativt låg spinninjektionseffektivitet på cirka 10 %, som tillskrevs antingen en konduktansmissanpassning mellan de ferromagnetiska metallerna och grafen, eller andra kontaktrelaterade effekter. Avsevärt högre effektivitet uppnåddes genom att använda tunna filmer av magnesiumoxid som tunnelbarriär.

Ytterligare metoder användes också, inklusive pinhole-kontakter över en isolerande barriär, transparenta kontakter, där de ferromagnetiska elektroderna är i direkt kontakt med grafenskiktet, och användningen av icke-magnetiska metaller såsom koppar. I fallet med tunnling över en isolerande barriär, det största magnetomotståndet som uppmättes var 130 ohm, motsvarande en spinninjektionseffektivitet på över 60 %.

Att gå från småskaliga studier till undersökningar av spinntransport i storarea grafen är ett viktigt steg mot att möjliggöra grafenspintronik i den integrerade kretsskivans skala. Fokus här har varit på spinntransport i suspenderade grafenlager, och grafen avsatt på hexagonala bornitrid (hBN) substrat. Allt eftersom tekniken fortskrider, längre spinnlängder och livslängder observeras, och ett praktiskt exempel på en sådan grafen-hBN-heterostruktur kommer att diskuteras i en uppföljande artikel.

Att göra grafen magnetisk

Skapa magnetisk ordning i grafen, som i sitt orörda tillstånd är ett starkt diamagnetiskt material, är en stor utmaning. Ändå, inducering av magnetiska moment i grafen är av avgörande betydelse om materialet ska användas i spintronik. Förhoppningen är att få en avstämbar magnetism genom dopning eller funktionalisering av grafen. Detta kan uppnås genom defekter i materialets hexagonala kristallstruktur, eller påverkan av adsorberade atomer på dess yta.

Hydrogenerad grafen är ett riktmärke för grafenmagnetism, med väteatomer som kemiskt absorberar grafen på ett reversibelt sätt. Detta skapar en obalans i kristallgittret, inducerar ett magnetiskt moment. En annan intressant adatom är fluor, som binder till kol, omvandlar grafen till en isolator med stora gap. Som med väte, fluor kan reversibelt kemisorberas på grafen.

"Grafen är ett lovande material för spintronik, med tanke på att dess spinnegenskaper inte bara kan skräddarsys, men faktiskt definierad av vilka atomer och andra 2d-material du kombinerar med det, ", säger Fabian. "När rätt material har identifierats – och det är detta vi undersöker i flaggskeppet – öppnas en väg mot specifika tekniska tillämpningar."

En saknad kolatom, eller vakans i grafens struktur, skapar en spinnpolariserad elektrontäthet genom att ta bort fyra elektroner från banden, varav tre bildar "dinglande band"-tillstånd. Två av dessa dinglande bindningar bidrar med magnetiska moment, men direkta bevis för den förutsagda π-magnetismen saknas.

Förlänger spinns livslängd

Maximering av spinns livslängd är avgörande när det gäller tillämpningar av grafenspintronik. Teorin förutsäger livstider på runt en mikrosekund för orörd grafen, medan experiment visar värden som sträcker sig från tiotals pikosekunder till några nanosekunder. Endast med nanosekunders livstid och längre kommer spinntransport i grafen att visa sig användbar i verkliga tillämpningar. De mer än två storleksskillnaderna är ett allvarligt problem, och det antyder att källan till spinrelaxation är av yttre ursprung, såsom föroreningar, defekter eller krusningar i det studerade grafenet.

Spinnlivslängder på några nanosekunder har observerats experimentellt för grafenspinnventiler på kiseldioxidsubstrat med tunnelkontakter, men med pinhole-kontakter är den uppmätta livslängden bara en bråkdel av en nanosekund. Kontaktinducerad spinrelaxation är en betydande faktor. Detta kan minimeras genom att förbättra kvaliteten på kontakterna, och att göra avståndet mellan ferromagnetiska elektroder mycket större än längden för bulkgrafens spin-relaxation.

Trots många teoretiska studier, ursprunget till spinrelaxation i grafen är föga förstått. Två mekanismer har lagts fram för att förklara experimentella trender. Båda har sitt ursprung i metall- och halvledarspintronik, och var och en förlitar sig på spin-orbit-koppling och momentumspridning. Spin-omloppskoppling är interaktionen mellan en elektrons spinn och dess rörelse, vilket leder till förskjutningar i partikelns atomenerginivåer som ett resultat av samspelet mellan spinnet och magnetfältet som genereras av elektronens bana runt atomkärnan.

Problemet är att ingen av de föreslagna spinrelaxationsmekanismerna fungerar. Båda förutsäger livstider för mikrosekunder, men experiment visar i bästa fall några nanosekunder. Den enda mekanismen som stämmer överens med experiment för både enkel- och dubbelskiktsgrafen är baserad på resonansspridning av lokala magnetiska moment. Denna modell föreslogs av Fabians forskargrupp i Regensburg.

Vad nyare studier indikerar är att elektronrörlighet inte är den begränsande faktorn för spinns livslängd, och spridning mellan laddade partiklar och föroreningar är inte primärt ansvarig för spinrelaxation i grafen. Som sagt, att fastställa den primära källan till spinavslappning är fortfarande en viktig utmaning för grafenforskare. Att identifiera det borde hjälpa till att öka spin-livslängden i grafen mot den teoretiska gränsen, vilket kommer att få viktiga konsekvenser för både grundläggande vetenskap och tekniska tillämpningar.

Framtida inriktningar

I avslutningen av deras Nature Nanotechnology review, Fabian och hans kollegor överväger grafen i vridmomentbaserade logiska enheter som använder spinn och magneter för informationsbehandling. Spin-logic-enheter är nu en del av International Technology Roadmap for Semiconductors, med tanke på att de ska ingå i framtida datorer.

Exempel på spin-logiska enheter inkluderar omskrivbara mikrochips, transistorer, logiska grindar, magnetiska sensorer och halvledarnanopartiklar för kvantberäkning. Dessa och andra möjligheter för grafenbaserad spintronik diskuteras i den nyligen publicerade "Science and technology roadmap for graphene, relaterade tvådimensionella kristaller, och hybridsystem". Färdkartan utvecklades inom ramen för Europe's Graphene Flagship – ett internationellt akademiskt/industriellt konsortium, delfinansierad av Europeiska kommissionen, ägnas åt utvecklingen av grafen och andra skiktade material.

Spintronik kan vara ett relativt ungt forsknings- och utvecklingsfält, men på senare år har vi sett betydande framsteg mot långa spinnlivslängder och diffusionslängder i grafen och relaterade material. Grafen flaggskeppsforskare är kärnan i detta världsomspännande arbete.