Ett tvärvetenskapligt team av forskare vid U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har rapporterat den första demonstrationen av metallisk spinnfiltrering vid rumstemperatur med användning av ferromagnet-grafen-ferromagnet tunnfilmsövergångsenheter - spinn är en grundläggande egenskap hos elektroner, förutom avgift, som kan användas för att sända, bearbeta och lagra data.

"Spinfiltreringen hade teoretiskt förutspåtts och tidigare setts endast för strukturer med högt motstånd vid kryogena temperaturer, " sa Dr Enrique Cobas, huvudutredare, NRL Materials Science and Technology Division. "De nya resultaten bekräftar att effekten fungerar vid rumstemperatur med mycket lågt motstånd i arrayer av flera enheter."

De tunnfilmsövergångarna visade lågt motstånd, och magnetoresistensegenskaperna hos ett spinfiltergränssnitt från kryogena temperaturer till rumstemperatur. Forskargruppen utvecklade också en enhetsmodell för att införliva den förutsagda spinnfiltreringen genom att explicit behandla en metallisk minoritetsspinkanal med spinströmkonvertering, och fastställde att spinnpolarisationen var minst 80 procent i grafenskiktet.

"Graphene är känt för sina extraordinära egenskaper i planet, men vi ville titta på ledningsförmåga mellan staplade grafenark och hur de interagerar med andra material, " sa Cobas. För att göra det, NRL-forskare utvecklade ett recept för att odla stora flerskiktsgrafenfilmer direkt på en slät, kristallin nickellegeringsfilm samtidigt som filmens magnetiska egenskaper bibehålls, mönstrade sedan filmen till uppsättningar av korsningar med tvärstång. "Vi ville också visa att vi kunde producera dessa enheter med standardverktyg inom industrin, inte bara göra en enhet, " tillade Cobas.

Spinfiltreringsfenomenet beror på en interaktion mellan de kvantmekaniska egenskaperna hos grafen och de hos en kristallin nickelfilm. När nickel- och grafenstrukturerna är i linje, endast elektroner med ett snurr kan lätt passera från ett material till det andra, en effekt som kallas spinnfiltrering, som resulterar i spinnpolarisering av en elektrisk ström.

"Det finns utrymme för förbättring eftersom teorin tyder på att effekten kan ökas med en storleksordning genom att finjustera antalet grafenlager, sade Dr Olaf van 't Erve, forskare, NRL Materials Science and Technology Division. "Dock, nuvarande modeller inkluderar inte spin-omvandlingen som sker inuti de ferromagnetiska kontakterna. När vi väl redovisar dessa effekter, vi är redan nära det ideala fallet med 100 procent spinnpolarisering i grafenskiktet, vilket gör det möjligt för oss att revidera vår enhetsgeometri och material för att maximera effekten."

Resultatet är relevant för nästa generations icke-flyktiga magnetiska direktminne (MRAM), som använder spin-polariserade pulser för att vända en magnetisk bit från 0 till 1 och vice versa. Det kan också komma att användas i framtida spinlogikteknologier eller som magnetiska sensorer.