Genom att kombinera grafen med ett annat tvådimensionellt material, forskare vid Chalmers tekniska universitet har skapat en prototyp av en transistorliknande enhet för framtida datorer, baserat på det som kallas spintronics. Snurra som informationsbärare kan resultera i elektronik som är betydligt snabbare och mer energieffektiv. Det kan också leda till mer mångsidiga komponenter som kan både beräkna data och lagra. Upptäckten publiceras i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

För drygt två år sedan, samma forskargrupp vid Chalmers tekniska universitet visade att grafen, som är en utmärkt elektrisk ledare, har också oöverträffade spintroniska egenskaper.

Det supertunna kolnätet visade sig kunna transportera elektroner med koordinerad snurrning över längre avstånd och bevara centrifugeringen under längre tid än något annat känt material vid rumstemperatur.

Även om avståndet fortfarande är på skalan på några mikrometer och tiden fortfarande mäts i nanosekunder, detta öppnade i princip dörren för möjligheten att använda spinn i mikroelektroniska komponenter.

"Men, det räcker inte med en bra motorväg för att spinnsignalen ska färdas vidare. Du behöver också trafikljus så att signalen kan styras, "säger docent Saroj Dash, ledare för forskargruppen.

"Vår nya utmaning blev att hitta ett material som både kan förmedla och kontrollera snurrandet. Det är svårt, eftersom båda uppgifterna normalt kräver helt motsatta materialegenskaper, " han förklarar.

Liksom många andra forskare inom det heta området grafen, Chalmersforskarna valde därför att testa en kombination av grafen och en annan tunn, så kallat tvådimensionellt material, med kontrasterande spintroniska egenskaper.

"Vårt valda material var molybdendisulfid, MoS2, på grund av dess låga centrifugerings livslängd ångande från hög centrifugering, säger André Dankert, postdoc -forskare i gruppen.

André Dankert och Saroj Dash utformade ett experiment där några lager molybdendisulfid placerades ovanpå ett lager grafen i en typ av smörgås, kallas en heterostruktur. Med detta, de kunde identifiera i detalj vad som händer med spin-signalen när elektronströmmen når heterostrukturen:

"För det första, magnituden på spinsignalen och livslängden i grafen reduceras tiofaldigt bara genom den nära kontakten med molybdendisulfid. Men, vi visar också hur man kan styra signalen och livslängden genom att applicera elektrisk grindspänning över heterostrukturen, "förklarar Saroj Dash.

Detta beror på att den naturliga energibarriären som finns mellan materiallagren, kallade Schottky -barriären, minskar när den elektriska spänningen appliceras. Med detta, elektronerna kan kvantmekaniskt tunnla från grafenet till molybdendisulfiden. Detta gör att spinnpolarisationen försvinner; snurren blir slumpmässigt fördelad.

Att öppna eller stänga en "ventil" på detta sätt genom att reglera en spänning liknar hur en transistor fungerar i konventionell elektronik. Ändå, Saroj Dash är lite tveksam till att kalla enheten för en spintransistor.

"När forskare föreslog framtida spinntransistorer, de föreställde sig ofta något baserat på halvledarteknik och så kallad koherent manipulation av elektronspinn. Det vi har gjort fungerar på ett helt annat sätt, men utför en liknande växlingsuppgift, " han säger.

"Det här är första gången som någon har kunnat visa att grindstyrningen av centrifugeringsström och centrifugeringstid fungerar vid rumstemperatur - vilket naturligtvis ökar möjligheterna för olika applikationer i framtiden, "säger Saroj Dash.

Även om det är för tidigt att förutsäga vad dessa skulle vara, Dash påpekar att en komponent baserad på denna princip kan vara extremt mångsidig eftersom den innehåller magnetiska minneselement, halvledare och grafen, samt ha förmågan att utföra spintronic-växling.

"Det pekar på en multifunktionell komponent som kan hantera både datalagring och processorarbete - i en enda enhet."

Fakta:Molybdendisulfid, MoS2

Molybdendisulfid är ett halvledande ämne som många har kommit i kontakt med, eftersom det är den aktiva ingrediensen i en viss typ av smörjmedel som säljs på din lokala bensinstation.

Med sin lagerstruktur, molybdendisulfid har likheter med grafit, som består av flera lager av grafen som håller ihop. Dock, när det gäller spintronics är materialen varandras motsatser. Molybdendisulfid tillåter inte någon polariserad elektronström att passera överhuvudtaget. Spinnsignalen möter en plötslig död eftersom elektronerna snabbt återgår till sin naturliga, slumpmässig blandning av upp-snurr och ned-snurr.

Fakta:Spin och spintronik

Spinn är en kvantmekanisk egenskap hos elektroner och andra elementära partiklar. Snurren riktas antingen uppåt eller nedåt. Fördelningen är normalt slumpmässig.

Men, ibland har alla eller majoriteten av elektronerna i ett material sin snurrning orienterad i samma riktning - upp eller ner. Det är så magnetism uppstår.

Med hjälp av magneter, en elektronström kan homogeniseras-dvs. polariseras-så att alla elektroner har upp-snurr, till exempel. Strömmen sägs sedan bära en spinnsignal.

Koordinerad snurrning är känslig för störningar och kan lätt gå förlorad, men grafen har visat sig vara en ledare som gör att en ström kan färdas ovanligt lång med sin spinn intakt. Långt nog för att kunna använda snurren som informationsbärare i framtida logikkomponenter - spintronics.