Ända sedan grafen först isolerades för några år sedan, detta kvasi-tvådimensionella nätverk som består av ett enda lager kolatomer har betraktats som det magiska materialet. Inte bara är grafen mekaniskt mycket motståndskraftig, det ger också en intressant grund för nya spintroniska komponenter som utnyttjar det magnetiska momentet hos ledningselektroner.

Nu, Helmholtz Center Berlins Dr. Andrei Varykhalov, Prof. Dr. Oliver Rader och hans team av fysiker har tagit det första steget mot att bygga grafenbaserade komponenter, i samarbete med fysiker från Sankt Petersburg (Ryssland), Jülich (Tyskland) och Harvard (USA). Enligt deras rapport den 27 november 2012 i Naturkommunikation , de lyckades framgångsrikt öka grafenledningselektronernas spin-orbit-koppling med en faktor 10, 000 - tillräckligt för att de ska kunna konstruera en switch som kan styras via små elektriska fält.

Grafenskiktet sitter ovanpå ett nickelsubstrat vars atomer är åtskilda med samma avstånd som grafens sexkantiga maskor. Nästa, fysikerna deponerade guldatomer på sitt prov som hamnade mellan grafen och nickel.

Genom att använda olika fotoelektronspektrometrar vid HZB:s egen BESSY II -synkrotronstrålningsanläggning fick forskarna mäta förändringar i grafens elektroniska egenskaper. Precis som jorden, elektroner har två vinkelmoment:en orbital vinkelmoment, vilket gör att de kan cirkulera atomkärnan; och ett snurr som motsvarar en rotation kring sina egna axlar. En stark spin-orbit-koppling innebär alltså en stor energisk skillnad beroende på om båda rotationerna är riktade i samma eller i motsatta riktningar. För lättare kärnor (som är sant för kolatomer), spin-orbit-interaktionen är ganska svag, medan det för tyngre atomer som guld är ganska starkt. "Vi kunde visa det, med tanke på deras närhet till grafenskiktet, guldatomerna kunde också öka detta samspel i grafenskiktet med en faktor 10, 000, "förklarar Dmitry Marchenko som tog mätningarna som en del av sin doktorandforskning.

Enligt Varykhalov, denna mycket starka spinn-omloppskoppling skulle göra det möjligt för forskarna att bygga en slags omkopplare eftersom snurren nu kan roteras med ett elektriskt fält. Två centrifugeringsfilter - ett framför och ett bakom komponenten - tolererar var och en endast enriktade snurr. Om centrifugeringsfiltren var vinkelräta mot varandra, ingen snurr skulle kunna komma igenom längre och omkopplaren skulle effektivt stängas av. Ett elektriskt fält, dock, skulle rotera snurrarna på ett sådant sätt att det skulle kunna - delvis eller helt - vrida omkopplaren.

"Vi kunde dokumentera att endast elektroner i 5d -orbitaler av guldatomer ökar grafens spinnbana -interaktion. Detta överensstämmer med våra teoretiska modeller, "förklarar Varykhalov. Ändå, HZB-fysikerna har redan sin nästa utmaning utskurna:en grafenbaserad komponent som sitter på en icke-ledande yta istället för nickel, en metall. Inte överraskande, de har redan börjat arbeta med det.