Ett internationellt team av forskare har upptäckt en ny väg till ultra-lågeffekttransistorer med ett grafenbaserat kompositmaterial.

När transistorer pressas in i allt mindre områden inom datorchips, halvledarindustrin kämpar för att begränsa överhettning i enheter.

Nu tror forskare från University of York och Roma Tre University att lösningen ligger i kompositmaterial byggda av monoskikt av grafen och övergångsmetalldikalkogenid (TMDC) .De upptäckte att dessa material kunde användas för att uppnå en fin elektrisk kontroll över elektronens snurr - dess lilla kompassnål.

Den nya forskningen, publiceras idag i tidningen Fysiska granskningsbrev , kan leda vägen till välbehövlig elektronik med låg energiförbrukning.

Ledande forskare Dr Aires Ferreira, vid University of York's Department of Physics, sade:"I många år, vi har letat efter bra ledare som möjliggör effektiv elektrisk kontroll över elektronens snurr.

"Vi fann att detta kan uppnås med liten ansträngning när tvådimensionell grafen är ihopkopplad med vissa halvledande skiktade material. Våra beräkningar visar att applicering av små spänningar över grafenskiktet inducerar en nettopolarisering av ledningssnurr.

"Vi tror att våra förutsägelser kommer att väcka stort intresse från spintronics -gemenskapen. Den flexibla, atomiskt tunn natur hos den grafenbaserade strukturen är en stor fördel för applikationer. Också, närvaron av en halvledande komponent öppnar möjligheten för integration med optiska kommunikationsnätverk. "

Elektronens snurr är som en liten, punktliknande magnet som endast kan peka i två riktningar, upp eller ner. I material där en stor del av elektronernas snurr är inriktade, ett magnetiskt svar produceras, som kan användas för att koda information.

'Spinnströmmar' - byggda från 'upp' och 'ner' snurr som flyter i motsatta riktningar - bär ingen nettoladdning, och därför i teorin, producerar ingen uppvärmning. Kontrollen av spinninformation skulle därför öppna vägen mot ultra-energieffektiva datorchips. Forskargruppen visade att när en liten ström passerar genom grafenskiktet, elektronernas spinn polariseras i plan på grund av "spin-orbital" krafter orsakade av närheten till TMDC-basen. De visade också att effektiviteten för laddning-till-snurr-konvertering kan vara ganska hög även vid rumstemperatur.

Manuel Offidani, en doktorand med York's Department of Physics, utförde de flesta komplexa beräkningarna i denna studie. Han sa:"Den ströminducerade polarisationen av elektronens snurr är ett elegant relativistiskt fenomen som uppstår vid gränssnittet mellan olika material.

"Vi valde grafen främst på grund av dess fantastiska strukturella och elektroniska egenskaper. För att förbättra de relativistiska effekterna som laddningsbärare upplever i grafen, vi undersökte möjligheten att matcha den med nyligen upptäckta skiktade halvledare. "

Professor Roberto Raimondi, som leder spintronics -gruppen vid Roma Tre University, sade:"Möjligheten att orientera elektronspinnet med elektriska strömmar lockar stor uppmärksamhet i spintronics -samhället och uppstår generellt som en följd av specifika symmetriförhållanden.

"Som sådan representerar detta fenomen ett perfekt exempel där grundläggande och tillämpad forskning går lyckligt ihop. I detta avseende, våra beräkningar visar att grafen i kombination med övergångsmetalldykalkogenider är en idealisk plattform där abstrakta teoretiska principer kan få omedelbar tillämpning för att visa vägen till experimentell och teknisk utveckling. "

Ströminducerad spinnpolarisering i icke-magnetiska medier demonstrerades första gången 2001 i halvledare och, på senare tid, i metalliska hetero-gränssnitt. Nu förutspår forskarna att en liknande effekt uppstår i grafen på TMDC -monoskikt.

Överraskande fann de att den unika karaktären hos elektroniska tillstånd i grafen möjliggör omvandlingseffektivitet på upp till 94 procent. Detta öppnar möjligheten att ett grafenbaserat kompositmaterial blir grunden för ultrakompakta och grönare spin-logic-enheter.

Dr Mirco Milletarì, en tidigare medlem i spintronics -gruppen vid Roma Tre University, sade:"Detta arbete följer insikter från att förstå grundläggande lagar som gjorde det möjligt för oss att föreställa oss system där effektiviteten för laddning-till-snurr-konvertering kan vara optimal för tekniska applikationer. I synnerhet, den välbehövliga elektroniken med låg energiförbrukning som kommer att förbättra hållbarhet och prestanda för framtida enheter. "