Forskare vid Chalmers tekniska universitet har upptäckt att grafen med stor yta kan bevara elektronspinn under en längre period, och kommunicera det över större avstånd än vad som tidigare varit känt. Detta har öppnat dörren för utvecklingen av spintronics, med syfte att tillverka snabbare och mer energieffektivt minne och processorer i datorer. Resultaten kommer att publiceras i tidningen Naturkommunikation .

"Vi tror att dessa resultat kommer att väcka stor uppmärksamhet i forskarsamhället och sätta grafen på kartan för applikationer i spintroniska komponenter, "säger Saroj Dash, som leder forskargruppen vid Chalmers tekniska universitet.

Spintronics är baserat på elektronernas kvanttillstånd, och tekniken används redan i avancerade hårddiskar för datalagring och magnetiskt slumpmässigt åtkomstminne. Men här behöver den spinnbaserade informationen bara flytta några nanometer, eller miljondelar av en millimeter. Vilket är tur, eftersom spin är en egenskap hos elektroner som i de flesta material är extremt kortlivad och skör.

Dock, det finns stora fördelar med att utnyttja spin som informationsbärare, istället för, eller förutom elektriska laddningar. Spintronics kan göra processorer betydligt snabbare och mindre energikrävande än de är idag.

Graphene är en lovande kandidat för att utöka användningen av spintronics inom elektronikindustrin. Den tunna kolfilmen är inte bara en utmärkt elektrisk ledare, men har också teoretiskt sett den sällsynta förmågan att behålla elektronerna med spinnet intakt.

"I framtida spinnbaserade komponenter, det förväntas att elektronerna måste kunna färdas flera tiotals mikrometer med sina snurr i linje. Metaller, såsom aluminium eller koppar, har inte kapacitet att hantera detta. Grafen verkar vara det enda möjliga materialet för tillfället, "säger Saroj Dash.

I dag, grafen produceras kommersiellt av några företag med ett antal olika metoder, som alla är i en tidig utvecklingsfas.

Enkelt uttryckt, man kan säga att grafen av hög kvalitet bara kan erhållas i mycket små bitar, medan större grafen produceras på ett sätt som kvaliteten antingen är för låg eller har andra nackdelar ur elektronikindustrins perspektiv.

Men det allmänna antagandet ifrågasätts nu allvarligt av de resultat som forskargruppen på Chalmers presenterade. De har utfört sina experiment med CVD -grafen, som produceras genom kemisk ångavsättning. Metoden ger grafen många rynkor, grovhet och andra defekter.

Men det har också fördelar:Det finns goda förutsättningar för produktion av grafen med stor yta i industriell skala. CVD -grafen kan också enkelt avlägsnas från kopparfolien som den växer på och lyfts upp på en kiselskiva, som är halvledarindustrins standardmaterial.

Även om materialets kvalitet är långt ifrån perfekt, forskargruppen kan nu visa parametrar för snurr som är upp till sex gånger högre än de som tidigare rapporterats för CVD -grafen på ett liknande substrat.

"Våra mätningar visar att centrifugeringssignalen bevaras i grafenkanaler som är upp till 16 mikrometer långa. Varaktigheten under vilken snurren håller sig i linje har mätts över en nanosekund, "säger Chalmersforskaren Venkata Kamalakar som är artikelns första författare.

"Detta är lovande eftersom det tyder på att centrifugeringsparametrarna kan förbättras ytterligare när vi utvecklar tillverkningsmetoden.

Att forskare fokuserar på hur långt spinnströmmen kan kommuniceras ska inte ses som att det bara handlar om att skicka information i ett nytt material eller att ersätta metaller eller halvledare med grafen. Målet är istället ett helt nytt sätt att utföra logiska operationer och lagra information. Ett koncept som, om det lyckas, skulle ta digital teknik ett steg bortom det nuvarande beroendet av halvledare.

"Graphene är en bra ledare och har inga bandgap. Men i spintronics behöver man inte bandgap för att växla mellan på och av, ett och noll. Detta styrs istället av elektronens upp- eller ned -spinnorientering, "Saroj Dash förklarar.

Ett kortsiktigt mål nu är att konstruera en logisk komponent som, inte till skillnad från en transistor, består av grafen och magnetiska material.

Om spintronics så småningom helt kan ersätta halvledarteknik är en öppen fråga, mycket forskning återstår. Men grafen, med sina utmärkta centrifugeringsförmågor, är mycket troligt att presenteras i detta sammanhang.

Bakgrund:

Detta är snurr:

Spinn är en kvantmekanisk egenskap hos elementära partiklar, vilket bland annat ger upphov till fenomenet magnetism. Snurren kan riktas antingen uppåt eller nedåt. För elektronerna i en normal elektrisk ström, snurren fördelas slumpmässigt, och strömmen bär ingen centrifugeringssignal. Men med hjälp av magneter, elektroner som matas in i en ledare kan polariseras, vilket innebär att de alla har sin snurr riktad uppåt eller nedåt. Du kan likna elektronerna med en serie små kompassnålar, alla pekar mot norr eller söder. Utmaningen är att behålla detta tillstånd tillräckligt länge och över tillräckligt långa avstånd.

Varför spin fungerar i grafen:

Elektronernas snurr kan lätt störas av miljöfaktorer. Atomer och deras kristallstrukturer i det ledande materialet har ett elektriskt fält, som uppfattas som ett magnetfält av elektronerna som rusar förbi. Men eftersom kol är en sådan lätt atom med endast sex protoner arrangerade i en symmetrisk sexkantig struktur, denna magnetiska störning kommer att vara mycket begränsad.

Den inre snurren i en atomkärna är också en potentiell källa till störningar. Men nettospinnet från kärnan är försumbar, eftersom majoriteten av kolatomerna är av C12 -isotopen, med lika många neutroner som protoner.

Tre sätt att producera grafen:

Nobelpristagarna Geim och Novoselov tillverkade grafen av grafit med vanlig hushållstejp. Liknande metoder används idag för att producera grafen av hög kvalitet. Men bitarna är små. Grafikföretaget, skapad av forskare vid Linköpings universitet, tillverkar grafen med stor yta som "odlas" från ett substrat av kiselkarbid.

Vid Chalmers tekniska universitet, grafen med stort område produceras med hjälp av den kemiska ångavsättningsmetoden (CVD). För studien i Naturkommunikation , forskarna har använt CVD -grafen köpt från företaget Graphenea i Spanien.