Forskare vid Chalmers tekniska högskola visar att applicering av ett måttligt magnetfält i planet ökar spinns livslängd för elektroner i grafen. Resultaten av detta arbete har djupgående konsekvenser för grafens användning som post-CMOS-plattform inom spintronik, och ge ett viktigt bidrag till förståelsen av fysik av 2D-material. Resultaten har nyligen publicerats i den prestigefyllda tidskriften Fysiska granskningsbrev .
"Med detta arbete har vi bidragit till att lägga till en pusselbit om varför grafen i praktiken inte är så bra för spintronik som en teori förutspår. Vi måste fortsätta att hitta andra bitar i detta intressanta pussel", säger Sergey Kubatkin, professor i kvantapparatfysik, på Chalmers.
Grafen är en av de lovande kandidaterna inom post CMOS-plattformen för spintronik, användningen av elektronspin för informationsbehandling. Ett praktiskt krav för spintronik är att hitta material där elektronspinnet kan färdas långa sträckor utan störningar, det är, material med lång centrifugeringslivslängd. I teorin, grafen är ett idealiskt material för detta på grund av dess höga bärarrörlighet och förmåga att bibehålla elektronspinningen intakt i millisekunder. Dock, i äkta grafen är spinns livslängd i storleksordningen nanosekunder, det är, en diskrepans mellan teori och experiment på cirka 6 storleksordningar.
Vad begränsar spin-livslängden i riktiga grafenenheter? Det är frågan som studien tar upp och för närvarande ett av huvudpusslen inom grafenfysiken. I en tidigare publikation i samma tidskrift, publicerades i oktober 2011 (se länk nedan), gruppen lade fram idén att spin-livslängden i grafen kan begränsas genom att sprida på defekter i grafen, som beter sig som magnetiska föroreningar. Nu har teamet bevisat denna idé direkt genom att applicera ett måttligt magnetfält i planet och observerat en ökning av elektronspin-livslängden:magnetfältet i planet fryser de magnetiska defekterna, och störningarna av elektronspin i grafen undertrycks.
För att undersöka dessa effekter, forskare mätte elektronspinrelaxation via kvantinterferenskorrigeringar till elektrisk ledningsförmåga hos grafen vid låga temperaturer. Denna kvantkorrigering förstörs av svaga vinkelräta magnetfält och av den randomiserande effekten av temperatur, dock har den experimentellt sett förbli finit även vid de lägsta temperaturerna. Oväntat, inverkan av fältet i planet på spinns livslängd var icke-monotoniskt:ett mycket svagt fält i planet har resulterat i en liten men märkbar minskning av spinns livslängd innan det förstärktes i ett något starkare fält. Beteendet i det svaga fältet förstods i termer av ett tidigare okänt spindynamikbidrag till magnetotransport:fältet i planet tvingar fram precession av både elektronspinnet och det magnetiska defektspinnet. Om de två roterar i samma hastighet och i samma riktning, Precession har ingen effekt på elektronspin-livslängden. Dock, om elektroner "ser" spinnet av spridande föroreningar i slumpmässig fas, elektronens spinlivslängd minskar.
