Ph.D. student Talieh Ghiasi och Prof. Dr. Bart van Wees, gruppledare för Physics of Nanodevices-gruppen vid Zernike Institute for Advanced Materials, fakulteten för naturvetenskap och teknik, Universitetet i Groningen. Kredit:University of Groningen
Fysiker från universitetet i Groningen konstruerade en tvådimensionell spintransistor, där spinnströmmar genererades av en elektrisk ström genom grafen. Ett monolager av en övergångsmetalldikalkogenid (TMD) placerades ovanpå grafenet för att inducera laddning-till-spin-omvandling i grafenet. Denna experimentella observation beskrevs i numret av tidskriften Nanobokstäver publicerad den 11 september 2019.
Spintronics är ett attraktivt alternativt sätt att skapa elektroniska enheter med låg effekt. Den är inte baserad på en laddningsström utan på en ström av elektronsnurr. Spinn är en kvantmekanisk egenskap hos en elektron, ett magnetiskt moment som kan användas för att överföra eller lagra information.
Heterostruktur
grafen, en 2D-form av kol, är en utmärkt spinntransportör. Dock, för att skapa eller manipulera snurr, interaktion av dess elektroner med atomkärnorna behövs:spin-orbit koppling. Denna interaktion är mycket svag i kol, vilket gör det svårt att generera eller manipulera spinnströmmar i grafen. Dock, det har visat sig att spin-orbit-koppling i grafen kommer att öka när ett monolager av ett material med tyngre atomer (som en TMD) placeras ovanpå, skapa en Van der Waals heterostruktur.
I gruppen Physics of Nanodevices, ledd av professor Bart van Wees vid universitetet i Groningen, Ph.D. studenten Talieh Ghiasi och postdoktorn Alexey Kaverzin skapade en sådan heterostruktur. Med hjälp av guldelektroder, de kunde skicka en ren laddningsström genom grafenet och generera en spinnström, kallas Rashba-Edelstein-effekten. Detta händer på grund av interaktionen med de tunga atomerna i TMD-monoskiktet (i det här fallet, volframdisulfid). Denna välkända effekt observerades för första gången i grafen som var i närheten av andra 2D-material.
Schema för en nanoenhet, används för observation av laddning-till-spin-omvandling i en van der Waals-heterostruktur av grafen och WS2. De lila och röda pilarna visar laddningsström och den genererade spinnackumuleringen, respektive. Kredit:Talieh Ghiasi et al.
Symmetrier
"Laddningsströmmen inducerar en spinström i grafenet, som vi kunde mäta med spin-selektiva ferromagnetiska koboltelektroder, " säger Ghiasi. Denna laddning-till-spin-konvertering gör det möjligt att bygga helt elektriska spinnkretsar med grafen. Tidigare, snurrarna måste injiceras genom en ferromagnet. "Vi har också visat att effektiviteten för genereringen av spinnackumuleringen kan ställas in genom applicering av ett elektriskt fält, " tillägger Ghiasi. Det betyder att de har byggt en spintransistor där spinnströmmen kan slås på och av.
Rashba-Edelstein-effekten är inte den enda effekten som producerar en snurrström. Studien visar att Spin-Hall-effekten gör samma sak, men att dessa snurr är olika inriktade. "När vi applicerar ett magnetfält, vi får snurren att rotera i fältet. Olika symmetrier av spin-signalerna som genereras av de två effekterna i interaktion med magnetfältet hjälper oss att lösa upp bidraget från varje effekt i ett system, " förklarar Ghiasi. Det var också första gången som båda typerna av laddning-till-snurr-omvandlingsmekanismer observerades i samma system. "Detta kommer att hjälpa oss att få mer grundläggande insikter i naturen av spin-omloppskoppling i dessa heterostrukturer. "
Grafen flaggskepp
Förutom de grundläggande insikter som studien kan ge, att bygga en helelektrisk 2D-spinntransistor (utan ferromagneter) har stor betydelse för spintroniska applikationer, vilket också är ett mål för EU:s grafenflaggskepp. "Detta är särskilt sant eftersom vi kunde se effekten vid rumstemperatur. Spinnsignalen minskade med ökande temperatur men var fortfarande mycket närvarande under omgivande förhållanden."
