För att göra transistorer som arbetar med elektronernas snurr snarare än deras laddning, det är nödvändigt att hitta ett sätt att slå på och av spinnströmmar. Vidare, livslängden på snurrningarna bör åtminstone vara lika med den tid det tar för dessa elektroner att resa genom en krets. Forskare vid University of Groningen har nu tagit ett viktigt steg framåt genom att skapa en enhet som uppfyller båda dessa krav, baserat på ett dubbelskikt grafen ovanpå ett lager volframdisulfid. Deras resultat har publicerats den 16 oktober i tidningen Fysisk granskning B .

Grafen, en tvådimensionell form av kol, är en utmärkt ledare för elektronspinn. Dock, det är svårt att manipulera spinnströmmar i detta material. Spinn är en kvantmekanisk egenskap hos elektroner, vilket får dem att bete sig som små magneter. Gruppen Physics of Nanodevices vid University of Groningen, ledd av professor Bart van Wees, arbetar med detta problem. De har tidigare visat att det är möjligt att styra spinnströmmar om grafen placeras ovanpå ett lager volframdisulfid (ytterligare ett 2-D-material).

Ny teknik

"Dock, detta tillvägagångssätt minskar livslängden för snurr, "förklarar Siddhartha Omar, en postdoc i Van Wees -gruppen. Volfram är en metall, och dess atomer påverkar elektronerna som passerar genom grafen, sprida spinnströmmarna. Detta fick Omar att använda ett dubbelskikt grafen på volframdisulfiden, baserat på teorin om att elektroner som passerar genom det övre lagret ska "känna" mindre av metallatomernas inflytande.

Omar använde också en annan ny teknik, där två olika typer av spinnström passerar genom grafen. Spinn är ett magnetiskt moment som har en given riktning. I vanliga material, snurren är inte inriktade. Dock, det magnetiska momentet för centrifugeringsströmmar - liksom magneter - har en preferensjustering. I förhållande till materialet genom vilket elektronerna passerar, deras snurr kan antingen ha en in-orientering eller en ut-av-orientering.

Energinivå

"Vi fann det, när elektronerna passerar genom det yttre grafenskiktet, in-planet snurrar försvinner mycket snabbt-på bara picosekunder. Dock, livslängden för de out-of-plane-snurr är ungefär hundra gånger längre. "Detta betyder att, även i närvaro av volframdisulfid, en komponent i centrifugeringsströmmar (snurrar med en orientering utanför planet) kan resa tillräckligt långt för att användas i enheter som transistorer.

Energinivån hos spinnströmmarna som observerats av Omar fick dem att passera genom det övre lagret av grafen. Denna energinivå kan höjas genom att applicera ett elektriskt fält, trycka in spinnströmmarna i det nedre lagret. "Där nere, snurrarna kommer att känna full effekt av metallatomerna och spinnströmmarna försvinner snabbt, "Omar förklarar. Denna förmåga att stänga av spinnströmmen med ett elektriskt fält är viktigt, eftersom den kan användas för att "grinda" transistorer baserade på denna teknik.

"Tyvärr, vissa tekniska begränsningar för underlaget som vi byggde dessa enheter på hindrar oss från att skapa elektriska fält som är tillräckligt starka för att producera denna grindeffekt, "säger Omar." Men vi har visat att det är möjligt att skicka spinnströmmar genom en heterostruktur gjord av grafen och volframdisulfid. Det är ett viktigt steg mot skapandet av en spinntransistor. "