Forskare som arbetar vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kopplade grafen, en enskiktsform av kol, med tunna lager av magnetiska material som kobolt och nickel för att producera exotiska beteenden i elektroner som kan vara användbara för nästa generations datortillämpningar.

Arbetet utfördes i samarbete med franska forskare inklusive Nobelpristagaren Albert Fert, en emeritusprofessor vid Paris-Sud University och vetenskaplig chef för ett forskningslaboratorium i Frankrike. Teamet utförde nyckelmätningar vid Berkeley Labs Molecular Foundry, en DOE Office of Science User Facility fokuserad på nanovetenskaplig forskning.

Fert delade Nobelpriset i fysik 2007 för sitt arbete med att förstå en magnetisk effekt i flerskiktsmaterial som ledde till ny teknologi för att läsa data på hårddiskar, till exempel, och gav upphov till ett nytt fält som studerar hur man kan utnyttja och kontrollera en grundläggande egenskap som kallas "spin" i elektroner för att driva en ny typ av lågenergi, höghastighetsdatorminne och logikteknik känd som spintronics.

I detta senaste verk, publicerades online den 28 maj i tidskriften Naturmaterial , forskargruppen visade hur den spinnegenskapen – analogt med en kompassnål som kan ställas in för att vara vänd mot norr eller söder – påverkas av interaktionen mellan grafen och de magnetiska lagren.

Forskarna fann att materialets elektroniska och magnetiska egenskaper skapar små virvlande mönster där lagren möts, och denna effekt ger forskare hopp om att kontrollera riktningen för dessa virvlar och utnyttja denna effekt för en form av spintroniktillämpningar som kallas "spin-orbitronics" i ultratunna material. Det slutliga målet är att snabbt och effektivt lagra och manipulera data i mycket små skalor, och utan den värmeuppbyggnad som är en vanlig hicka för miniatyrisering av datorenheter.

Vanligtvis, forskare som arbetar för att producera detta beteende för elektroner i material har kopplat tunga och dyra metaller som platina och tantal med magnetiska material för att uppnå sådana effekter, men grafen erbjuder ett potentiellt revolutionerande alternativ eftersom det är ultratunt, lättvikt, har mycket hög elektrisk ledningsförmåga, och kan även fungera som ett skyddande lager för korrosionsbenägna magnetiska material.

"Du kan tänka på att ersätta datorns hårddiskar med alla solid state-enheter – inga rörliga delar – med enbart elektriska signaler, sa Andreas Schmid, en stabsforskare vid Molecular Foundry som deltog i forskningen. "En del av målet är att få lägre strömförbrukning och icke-flyktig datalagring."

Den senaste forskningen representerar ett tidigt steg mot detta mål, Schmid noterade, och ett nästa steg är att kontrollera magnetiska egenskaper i nanoskala, kallas skyrmions, som kan uppvisa en egenskap som kallas chiralitet som får dem att virvla i antingen medurs eller moturs riktning.

I mer konventionella skiktade material, elektroner som färdas genom materialen kan fungera som en "elektronvind" som förändrar magnetiska strukturer som en hög med löv som blåses av en stark vind, sa Schmid.

Men med det nya grafenskiktade materialet, dess starka elektronspineffekter kan driva magnetiska texturer av motsatt kiralitet i olika riktningar som ett resultat av "spin Hall-effekten, " som förklarar hur elektriska strömmar kan påverka spinn och vice versa. Om den kiraliteten kan anpassas universellt över ett material och vändas på ett kontrollerat sätt, forskare skulle kunna använda det för att bearbeta data.

"Beräkningar från andra teammedlemmar visar att om du tar olika magnetiska material och grafen och bygger en flerskiktsstapel av många upprepade strukturer, då kan detta fenomen och effekten möjligen förstärkas mycket kraftfullt, sa Schmid.

För att mäta det skiktade materialet, forskare tillämpade spin-polariserad lågenergielektronmikroskopi (SPLEEM) med hjälp av ett instrument vid Molecular Foundry's National Center for Electron Microscopy. Det är en av bara en handfull specialiserade enheter runt om i världen som gör det möjligt för forskare att kombinera olika bilder för att i huvudsak kartlägga orienteringen av ett provs 3D-magnetiseringsprofil (eller vektor), avslöjar dess "snurrstrukturer".

Forskargruppen skapade också proverna med samma SPLEEM-instrument genom en exakt process som kallas molekylär strålepitaxi, och studerade proverna separat med andra former av elektronstrålesonderingstekniker.

Gong Chen, en co-lead författare som deltog i studien som postdoktor vid Molecular Foundry och nu är en biträdande projektforskare vid UC Davis Physics Department, sa att samarbetet sprungit ur en diskussion med franska forskare vid en konferens 2016 – båda grupperna hade oberoende arbetat med liknande forskning och insett synergin med att arbeta tillsammans.

Medan effekterna som forskare nu har observerat i de senaste experimenten hade diskuterats för decennier sedan i tidigare tidskriftsartiklar, Chen noterade att konceptet att använda ett atomärt tunt material som grafen i stället för tunga element för att generera dessa effekter var ett nytt koncept.

"Det har bara nyligen blivit ett hett ämne, ", sade Chen. "Denna effekt i tunna filmer hade ignorerats under lång tid. Den här typen av flerskiktsstapling är riktigt stabil och robust."

Att använda skyrmioner kan vara revolutionerande för databehandling, han sa, eftersom information potentiellt kan lagras med mycket högre densiteter än vad som är möjligt med konventionell teknik, och med mycket lägre strömförbrukning.

Molecular Foundry-forskare arbetar nu med att forma det grafenmagnetiska flerskiktsmaterialet på en isolator eller halvledare för att föra det närmare potentiella tillämpningar, sa Schmid.