Skiss av en grafen-WSe2 spin fälteffekt transistor. Vid noll backgate-spänning (Vbg), snurrarnas omvända tecken när de fortplantar sig genom kanalen. I kontrast, när Vbg inte är noll, Precession reduceras och snurren vänder inte tecken. Kredit:Ingla-Aynes et al.
Ett avgörande mål för spintronikforskning är att konsekvent manipulera elektronsnurr vid rumstemperatur med hjälp av elektrisk ström. Detta är särskilt värdefullt eftersom det skulle möjliggöra utvecklingen av många enheter, inklusive spin-fälteffekttransistorer.
I experiment med konventionella material, ingenjörer och fysiker har hittills endast observerat koherent spinprecession i den ballistiska regimen och vid mycket låga temperaturer. Tvådimensionell (2D-material), dock, har unika egenskaper som kan ge nya kontrollrattar för att manipulera spinnprocessen.
Forskare vid CIC nanoGUNE BRTA i Spanien och University of Regensburg i Tyskland har nyligen visat spinprecession vid rumstemperatur i frånvaro av ett magnetfält i tvåskiktsgrafen. I deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , de använde 2D-material för att realisera en spin-fälteffekttransistor.
"I vår grupp, det finns en lång tradition av att studera spinntransport i flera material, som enkla metaller, till exempel, "Josep Ingla-Aynes, Franz Herling, Jaroslav Fabian, Luis E. Hueso och Felix Casanova, forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org via e-post. "Vårt huvudmål är att förstå hur elektronens spinn kan bära information och hur denna grad av frihet kan hjälpa till att skapa enheter med nya funktioner."
Grafen är bland materialen med de största spinrelaxationslängderna. Ändå, att manipulera snurr när de färdas på grafen kan vara mycket utmanande och har hittills endast uppnåtts med hjälp av externa magnetfält, vilket är långt ifrån idealiskt för praktiska tillämpningar.
Nyligen, Ingla-Aynés och hans kollegor har undersökt hur heterostrukturer baserade på olika 2D-material, även känd som van der Waals heterostrukturer, prestera inom spintronics. Van der Waals heterostrukturer, är en klass av grafenbaserade 2D-material med lager som inte är kemiskt bundna.
"Vi har särskilt utforskat strukturer där ett material med svag spin-orbit-koppling (som grafen) staplas med ett material med en stark spin-orbit-koppling (som WSe) 2 ) och observerar experimentellt hur denna spin-orbit-koppling faktiskt överförs till grafenen i närheten, " förklarade forskarna. "Mer tekniskt, genom att uppnå en stark interaktion mellan lagren, det är möjligt att trycka in en sådan effektiv spin-omloppskoppling på grafenet (som fungerar som ett effektivt magnetfält) som kan vända snurrarna utan att behöva applicera ett magnetfält och det här är vad vi ville göra."
Istället för att använda ett enda material, Ingla-Aynés och hans kollegor använde en kombination av två material med olika betydande egenskaper. Det första av dessa material är grafen, som har en svag spin-omloppskoppling och lång spinrelaxationslängd. Den andra är WSe 2 , som har en stark och anisotropisk spin-omloppskoppling.
"Vi förberedde tvåskiktsgrafen/WSe 2 van der Waals heterostrukturer med användning av en torr polymerbaserad staplingsteknik, " sa forskarna. "Då, för att främja närhet mellan lagren, vi glödgade våra prover över 400 grader Celsius. För att mäta spinntransport, vi använde ferromagnetiska elektroder som kombinerat med magnetfält, tillåter oss att mäta spinn i planet och utanför planet som rör sig över grafenen/WSe 2 kanal."
Ingla-Aynés och hans kollegor kunde kontrollera spinntransporttiderna i materialet de använde genom att applicera ett elektriskt fält i planet och en backgate-spänning på dem. Detta möjliggjorde slutligen den elektriska styrningen av spinprecession vid rumstemperatur, utan att behöva applicera ett externt magnetfält.
"Detta har sökts av samhället i decennier och utforskat många olika material, ändå var ingen framgångsrik, tills nu, ", sa forskarna. "Detta fynd har konsekvenser för tillämpligheten av spintronics, eftersom vår enhet fungerar som den länge eftertraktade Datta-Das-spintransistorn, som har varit ett av målen för spintronics sedan det först föreslogs 1990."
I deras papper, forskarna presenterade den första spin-fälteffekttransistorn vid rumstemperatur med hjälp av den spinprecessionsstrategi som de utvecklade. I framtiden, deras arbete skulle kunna bana väg för praktisk implementering av energieffektiv spin-baserad logik.
"Vår studie har också en grundläggande konsekvens, eftersom det ger värdefull information om hur spinntransport påverkas av spin-omloppsinteraktioner i grafenbaserade van der Waals heterostrukturer, " sa forskarna. "I våra nästa studier, vi planerar att studera flera andra kombinationer av 2D-material som kommer att ge nya fysiska effekter relaterade till spinngraden av frihet."
© 2021 Science X Network
