a) Direkt och (b) omvänd Rashba-Edelstein-effekt (omvänd Rashba-Edelstein-effekt även kallad spingalvanisk effekt; SGE) mekanism och mätinställning, (c) Fermi-yta av Rashba-tillståndet med elektriskt fält applicerat, och (d) jämförelsen av den uppmätta direkta och omvända Rashba Edelstein-effektresistansen. Kredit:Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
KAIST-fysiker beskrev en väg för att designa den energieffektiva generationen, manipulering och detektering av spinnströmmar med hjälp av icke-magnetiska tvådimensionella material. Forskargruppen, ledd av professor Sungjae Cho, observerade mycket effektiv laddning-till-spin-interkonvertering via den gate-tunable Rashba-Edelstein-effekten (REE) i grafenheterostrukturer.
Denna forskning banar väg för tillämpningen av grafen som en aktiv spintronisk komponent för att generera, kontrollerande, och detektering av spinnström utan ferromagnetiska elektroder eller magnetfält.
Grafen är en lovande spintronisk komponent på grund av dess långa spindiffusionslängd. Dock, dess lilla spin-orbit-koppling begränsar potentialen för grafen i spintroniska applikationer eftersom grafen inte kan användas för att generera, kontrollera, eller upptäck spinnström.
"Vi ökade framgångsrikt spin-orbit-kopplingen av grafen genom att stapla grafen ovanpå 2H-TaS 2 , vilket är ett av övergångsmetalldikalkogenidmaterialen med den största spin-omloppskopplingen. Grafen kan nu användas för att generera, kontrollera, och detektera spinström, " sa professor Cho.
Rashba-Edelstein-effekten är en fysisk mekanism som möjliggör omvandling av laddningsström-till-spinström genom spinnberoende bandstruktur inducerad av Rashba-effekten, en momentumberoende uppdelning av spinnband i lågdimensionella system för kondenserad materia.
Professor Chos grupp demonstrerade den gate-tunerbara Rashba-Edelstein-effekten i en flerskiktsgrafen för första gången. Rahsba-Edelstein-effekten gör att de tvådimensionella ledningselektronerna av grafen kan magnetiseras av en applicerad laddningsström och bilda en spinnström. Vidare, som Fermi-nivån av grafen, avstämd med grindspänning, rör sig från valens till ledningsband, spinnströmmen som genererades av grafen vände sin spinnriktning.
Denna spin-omvändning är användbar vid konstruktionen av transistorer med låg effektförbrukning som använder spins genom att den förser bärvågens "på"-tillstånd med spin-up-hål (eller spin-down-elektroner) och "off"-tillståndet med noll nettospinnpolarisation vid så kallas "laddningsneutralitetspunkt" där antalet elektroner och hål är lika.
"Vårt arbete är den första demonstrationen av laddning-till-spin-interkonvertering i en metallisk TMD (transition-metal dichalcogenide) och grafen-heterostruktur med ett spinnpolariseringstillstånd kontrollerat av en grind. Vi förväntar oss att den helt elektriska spin-switching-effekten och omkastning av icke-jämviktsspinnpolarisation genom applicering av grindspänning är tillämplig för energieffektiv generering och manipulering av spinnströmmar med hjälp av icke-magnetiska van der Waals-material, " förklarade professor Cho.
