Grafen flaggskeppsforskare baserade vid universitetet i Groningen, Nederländerna, har skapat en enhet baserad på ett skikt av grafen och bornitrid som visar en oöverträffad spintransporteffektivitet vid rumstemperatur. Att lyfta fram potentialen med att skapa enheter som innehåller grafen och relaterade material, spinsignalen som mäts här är så stor att den kan användas i verkliga tillämpningar som spinnbaserad logik och transistorer.

Publicerad i Naturkommunikation , denna forskning, ledd av professor Bart van Wees, Universitetet i Groningen, Nederländerna, rapporterar en grafenbaserad enhet där elektronsnurr kan injiceras och detekteras i rumstemperatur med hög effektivitet. Nyckeln är samspelet mellan grafen och bornitrid på det sätt som de leder elektronsnurr.

Spinn kan ses som rotationen av en elektron runt sin egen axel. Det är en form av inneboende rörelsemängd och kan detekteras som ett magnetfält med en av två orienteringar:upp och ner. Elektronspin är svårt att hantera och tappar ofta riktning med tiden. För att använda elektronspin i en enhet, Spinnpolarisering är viktig - det här är förmågan att kontrollera andelen elektroner med ett spin upp eller ner. "Spinpolarisering kan uppnås genom att skicka elektronerna genom ett ferromagnetiskt material, " förklarar van Wees.

Professor van Wees och hans team visade att de avsevärt kunde förbättra effektiviteten av injektion och detektion av spinnelektroner i grafen genom att använda isolatorn bornitrid mellan grafenskiktet och de ferromagnetiska spinninjektor/detektorelektroderna.

"Grafen är ett mycket bra material för spinntransport, men det tillåter inte en att manipulera snurrarna, " säger van Wees "Att injicera snurrar in i grafenet, man måste få dem att passera från en ferromagnet genom en bornitridisolator genom kvanttunnel. Vi fann att användning av ett tvåatomslager av bornitrid resulterade i en mycket stark spinnpolarisering på upp till 70 procent, 10 gånger vad vi brukar få."

I de producerade enheterna, polarisationen ökade med spänningen, utmanar det nuvarande tänkandet att det bara är den ferromagnetiska påverkan som polariserar spinn. Istället, det verkar som att det är kvanttunneleringen som polariserar snurrandet i hans enheter. Forskarna fann också en liknande tiofaldig ökning av spindetektering i samma enhet. "Så totalt sett, signalen ökade med en faktor 100, sa van Wees.

Detta skapar många möjligheter. "Vi kan nu injicera spins i grafen och mäta dem lätt efter att de har färdats en bit. En tillämpning skulle vara som en detektor för magnetfält, vilket kommer att påverka spinsignalen."

En annan möjlighet skulle vara att bygga en spin-logisk gate eller en spin-transistor. Eftersom experimenten med den nya enheten utfördes vid rumstemperatur, sådana ansökningar är tillgängliga. "Dock, " säger van Wees, "vi använde grafen som vi fick genom exfoliering, använda tejp för att dra av monolager från en bit grafit. Detta är inte lämpligt för storskalig produktion." Tekniker för att göra högkvalitativt grafen i industriell skala är ett fokus för grafenflaggskeppet.

Professor Vladimir Falko från Graphene Flagship säger, "Inkapsling av grafen i bornitrid och användningen av heterostrukturer av dessa två material för nya enheter, inklusive tunneltransistorer, är en lovande trend inom grafenforskningen som tidigare har levererat många intressanta resultat. Den rapporterade observationen tar grafenspintronik till en kvalitativt ny nivå."

Spintronics fokuserar på rumstemperatur grafen spintronic enheter, kombinera teoretisk och experimentell forskning, och ses som en långsiktig investering för flaggskeppet Graphene. Med så mycket framsteg som görs på de enskilda elementen för att producera fullt fungerande spintroniska enheter, nästa steg är att sammanfoga dessa. Det nyligen publicerade arbetet av Graphene Flagship Partner Professor Saroj Dash vid Chalmers University, Sverige, visade förmågan att kontrollera mängden spin med en grindspänning, allt i rumstemperatur. Att underlätta samarbetet i projekt som dessa är ett centralt syfte med flaggskeppet i grafen.