Forskare vid University of the Witwatersrand har hittat sätt att kontrollera spinntransporten i nätverk av den minsta elektriska ledare som människan känner till.
Genom att kemiskt fästa nanopartiklar av den sällsynta jordartsmetallen, gadolinium, till kolnanorör, forskarna har funnit att den elektriska ledningsförmågan i nanorören kan ökas genom att inkorporera spinnegenskaperna hos gadolinium som uppstår från dess magnetiska natur. För att uttrycka det tydligt introducerar närvaron av en magnet i ett elektronöverföringsmedium en annan grad av frihet som förbättrar elektronöverföringen men bara om den är anpassad exakt.
Upptäcktes i Japan 1993, kolnanorör är de tunnaste rören i universum, bestående av en cylinder av enkla kolatomer. Vid tiden för upptäckten var den revolutionerande, och det förväntades att det kunde ersätta kisel i elektroniska kretsar, som mikrochips och datorhårddiskar.
"Kolnanorör är kända för sin förmåga att bära en hög mängd elektrisk ström och de är mycket starka. De är väldigt tunna men elektroner kan röra sig väldigt snabbt i dem, med hastigheter upp till Gigahertz eller Terahertz, och när de är kopplade till nanomagneter utökar de kraftigt kolnanorörens funktionalitet, som krävs för att främja modern teknik genom utveckling av höghastighetsspintroniska enheter, " säger Siphephile Ncube, en Ph.D. student vid Wits School of Physics och huvudförfattaren till studien. Hennes forskning publicerades i Vetenskapliga rapporter på onsdag (23 maj 2018).
Under sin doktorsexamen, Ncube samarbetade med ett team av forskare från University of the Witwatersrand, University of Johannesburg och Paul Sabatier University i Frankrike. Forskarna fäste kemiskt gadoliniumnanopartiklar på ytan av kolnanorören för att testa om magnetismen ökar eller hämmar överföringen av elektroner genom systemet. Mätningarna för att undersöka effekten av magnetiska nanopartiklar på ett nätverk av flerväggiga kolnanorör utfördes vid Nanoscale Transport Physics Laboratory (NSTPL) i Wits. Denna anläggning är tillägnad ny nanoelektronik och den initierades av NRFs flaggskeppsprogram för nanoteknologi.
"Vi fann att effekten av de magnetiska nanopartiklarna läses av i den elektroniska transporten av nanorören. På grund av närvaron av magneten blir elektronerna spinnpolariserade och laddningsöverföringen är beroende av det magnetiska tillståndet hos gadoliniumet. När de övergripande magnetiska polerna för gadolinium är motsatt inriktade, det orsakar högre motstånd i nanorören och saktar ner flödet av elektroner. När de magnetiska polerna är felinriktade, den har ett lågt motstånd, och hjälper elektrontransporten, " säger Ncube. Detta fenomen är känt som Spin Valve Effect, som finner bred tillämpning i utvecklingen av hårddiskar som används för datalagring.
Ncube startade sin forskning om kolnanorör som masterstudent vid Wits School of Physics 2011, där hon gjorde enkelväggiga kolnanorör, genom att upprätta en lasersyntes teknik. Hennes arbete, vilket ledde till publicering av olika forskningsartiklar inom området, utfördes på instrument från CSIR National Laser Center Rental Pool Program. Hon är också den första forskaren i Afrika att bygga en elektronisk enhet som kan mäta elektronöverföringsegenskaperna hos kolnanorören kopplade till magnetiska nanopartiklar. Hon finansierades av DST-NRF Center of Excellence in Strong Materials.
"Ncubes forskning fastställde den stora potentialen hos kolnanorör för ultrasnabba växlingsenheter och magnetiska minnesapplikationer, en insikt vi har arbetat mot sedan etableringen av NSTPL-anläggningen 2009, " säger Ncubes doktorshandledare, Professor Somnath Bhattacharyya. "Hittills, modifierade nanorör har visat god spinntransport för enheter gjorda av individuella nanorör. För första gången har vi demonstrerat spinnmedierad elektrontransport i ett nätverk av nanorör utan inkorporering av magnetiska ledningar. "Projektet är en del av målen som beskrivs i NRF:s flaggskeppsprogram för nanoteknik.
