Fysiker från University of Groningen i samarbete med en teoretisk fysikgrupp från Universität Regensburg har byggt en optimerad tvålagers grafenenhet som visar både långa spin-livslängder och elektriskt styrbar spin-lifetime-anisotropi. Den har potential för praktiska tillämpningar som spinnbaserade logiska enheter. Resultaten publicerades i Fysiska granskningsbrev den 20 september.

Miniatyrisering av elementen i datorsystem under de senaste 60 åren har ökat deras kapacitet, gör det möjligt för dem att spridas till nästan alla aspekter av det dagliga livet. Mikroprocessorer har nu nått skalor under 100 atomer och närmar sig grundläggande gränser. På grund av högre krav, Det krävs nya koncept som kan ge förbättrade funktioner. I detta sammanhang, forskare studerar användningen av spin för transport och lagring av information. Spinn är en kvantmekanisk egenskap hos elektroner, vilket ger dem ett magnetiskt moment som kan användas för att överföra eller lagra information. Området spin-baserad elektronik (spintronics) har redan tagit sig in i datorernas hårddiskar, och lovar också att revolutionera bearbetningsenheter.

Grafen är en utmärkt ledare för elektronspin, men det är svårt att kontrollera spinn i detta material på grund av deras svaga interaktion med kolatomerna (spin-omloppskopplingen). Tidigare arbete av University of Groningen Physics of Nanodevices grupp ledd av professor Bart van Wees placerade grafen i omedelbar närhet till en övergångsmetall dikalkogenid, ett skiktat material med hög inneboende spin-omloppskopplingsstyrka. Den höga spin-omloppskopplingsstyrkan överfördes till grafen via en kortdistansinteraktion vid gränssnittet. Detta gjorde det möjligt att kontrollera spinnströmmarna, men endast till bekostnad av minskad spinntid.

I den nya studien, forskarna lyckades kontrollera spinnströmmar i ett grafendubbelskikt. "Detta förutspåddes faktiskt i en teoretisk uppsats 2012, men tekniken för att mäta effekten exakt blev tillgänglig först nyligen, " förklarar Christian Leutenantsmeyer, en Ph.D. student i Van Wees-gruppen och första författare till PRL-tidningen. Uppsatsen är ett samarbete mellan Van Wees-gruppen och en teoretisk fysikgrupp från Universität Regensburg i Tyskland.

I 2012 års papper förutspådde anisotropisk spinntransport i grafenbilager som en konsekvens av spinn-omloppskoppling i dubbelskiktsgrafen. Anisotropisk spinntransport beskriver situationen där spinn som pekar antingen in eller ut ur grafenplanet utförs med olika effektivitet. Detta observerades i enheterna Leutenantsmeyer och hans kollegor producerade.

Spinnströmmen kan också kontrolleras med användning av spin-lifetime anisotropi eftersom in-plane spins lever mycket kortare än out-of-plan. och skulle kunna användas i enheter för att polarisera spinnströmmar. Leutenantsmeyer säger, "Vi fann att styrkanisotropin är jämförbar med grafen/övergångsmetalldikalkogenidenheter, men vi observerade en 100 gånger längre spin-livslängd. Vi uppnådde därför både effektiv spinntransport och effektiv kontroll av snurr."

Arbetet ger insikt i de grundläggande egenskaperna hos spin-orbit-koppling i tvåskiktsgrafen. "Och dessutom, våra resultat öppnar nya vägar för effektiv elektrisk kontroll av spinn i högkvalitativ grafen, en milstolpe för grafen."