Forskare i Spanien har upptäckt att om blyatomer interkaleras på ett grafenark, ett kraftfullt magnetfält genereras av växelverkan mellan elektronernas snurr med deras orbitalrörelse. Denna egenskap kan ha implikationer inom spintronik, en framväxande teknik som främjas av Europeiska unionen för att skapa avancerade beräkningssystem.

Grafen anses vara framtidens material på grund av dess extraordinära optiska och elektroniska mekaniska egenskaper, speciellt för att den leder elektroner väldigt snabbt. Dock, den har inga magnetiska egenskaper, och det har således inte funnits någon metod för att manipulera dessa elektroner eller någon av deras egenskaper för att använda den i nya magnetoelektroniska enheter, även om spanska forskare har hittat en nyckel.

Forskare från IMDEA Nanoscience, det autonoma universitetet i Madrid, Madrid Institute of Materials Science (CSIC) och Baskiska universitetets universitet beskriver i tidskriften Naturfysik denna vecka hur man skapar ett kraftfullt magnetfält med detta nya material.

Hemligheten är att interkalera atomer eller Pb-öar under havet av hexagoner av kol som utgör grafen. Detta ger en enorm interaktion mellan två elektronegenskaper:deras snurr - en liten "magnet" kopplad till deras rotation - och deras bana, rörelsen de följer runt kärnan.

"Denna spin-orbit-interaktion är en miljon gånger mer intensiv än den som är förknippad med grafen, det är därför vi får revolutioner som kan ha viktiga användningsområden, till exempel i datalagring, " förklarar Rodolfo Miranda, Direktör för IMDEA Nanoscience och chef för studien.

För att få denna effekt, forskarna lade ett lager bly på ett annat av grafen, växte i sin tur över en iridiumkristall. I den här konfigurationen bildar ledningen "öar" under grafenet och elektronerna i detta tvådimensionella material beter sig som i närvaro av ett kolossalt magnetfält på 80 tesla, vilket underlättar den selektiva kontrollen av spinnflödet.

Trafikkontroll med två körfält

"Och, vad är viktigast, under dessa förhållanden är vissa elektroniska tillstånd topologiskt skyddade; med andra ord, de är immuna mot defekter, föroreningar eller geometriska störningar, "fortsätter Miranda, som ger detta exempel:"Om vi ​​jämför det med trafik, i ett traditionellt spintroniskt material cirkulerar bilar längs en enfilig väg, som gör kollisioner mer sannolika, medan vi med detta nya material har trafikkontroll med två rumsligt åtskilda körfält, förhindra krascher."

Spintronics är en ny teknik som använder elektronernas magnetiska spinn för att lagra informationsbitar. Det uppstod med upptäckten av jätte magnetoresistans, ett fynd som vann Peter Grümberg och Albert Fert Nobelpriset i fysik 2007. Det är en effekt som orsakar stora förändringar av det elektriska motståndet hos fina flerskiktsmaterial och har lett till utvecklingen av komponenter så varierande som läsaren vill hårddiskar eller sensorerna i krockkuddar.

Den första generationen av spintroniska eller magnetoresistenta enheter baserades på effekten magnetiska material har på elektronspin. Men en andra generation är redan igång, och omfattar denna nya studie, där elektronernas egen rotationsbana-interaktion verkar på dem som om det fanns ett verkligt externt magnetfält, även om det inte finns.

Användningen av grafen som en aktiv komponent inom spintronics är ett av de grundläggande målen för det stora EU -projektet "Graphene Flagship". Forskarnas slutmål är att medvetet kontrollera vilken typ av spin elektronerna i detta nya material har för att kunna tillämpa det på framtidens elektroniska enheter.