Forskare vid Chalmers tekniska högskola, Sverige, har visat den spin-galvaniska effekten, vilket möjliggör omvandling av icke-jämviktsspinntäthet till en laddningsström. Här, genom att kombinera grafen med en topologisk isolator, författarna inser en gate-tunerbar spin-galvanisk effekt vid rumstemperatur. Resultaten publicerades i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

"Vi tror att denna experimentella förverkligande kommer att dra till sig mycket vetenskaplig uppmärksamhet och sätta topologiska isolatorer och grafen på kartan för tillämpningar inom spintronik och kvantteknologi, " säger docent Saroj Prasad Dash, som leder forskargruppen vid Quantum Device Physics Laboratory (QDP), Institutionen för mikroteknik och nanovetenskap—MC2.

grafen, ett enda lager av kolatomer, har extraordinära elektroniska och spinntransportegenskaper. Dock, elektroner i detta material upplever låg interaktion av deras spinn och orbitala vinkelmoment, kallad spin-omloppskoppling, vilket inte gör det möjligt att uppnå avstämbar spintronisk funktionalitet i orörd grafen. Å andra sidan, unika elektroniska spinntexturer och spin-momentum-låsningsfenomenet i topologiska isolatorer är lovande för framväxande spin-omloppsdriven spintronik och kvantteknik. Dock, användningen av topologiska isolatorer innebär flera utmaningar relaterade till deras brist på elektrisk gate-tunerbarhet, störningar från triviala bulktillstånd, och förstörelse av topologiska egenskaper vid heterostrukturgränssnitt.

"Här, vi adresserar några av dessa utmaningar genom att integrera tvådimensionell grafen med en tredimensionell topologisk isolator i van der Waals heterostrukturer för att dra fördel av deras anmärkningsvärda spintroniska egenskaper och konstruera en närhetsinducerad spin-galvanisk effekt vid rumstemperatur, säger Dmitrij Chokhriakov, Ph.D. Student på QDP, och artikelns första författare.

Eftersom grafen är atomärt tunt, dess egenskaper kan förändras drastiskt när andra funktionella material kommer i kontakt med den, som är känd som närhetseffekten. Därför, grafenbaserade heterostrukturer är ett spännande enhetskoncept eftersom de uppvisar stark gate-tunability av närhetseffekter som härrör från dess hybridisering med andra funktionella material. Tidigare, kombinerar grafen med topologiska isolatorer i van der Waals heterostrukturer, forskarna har visat att en stark närhetsinducerad spin-omloppskoppling kan induceras, som förväntas ge en Rashba spin-splittring i grafenbanden. Som en konsekvens, den proximitiserade grafenen förväntas vara värd för den spin-galvaniska effekten, med den förväntade gate-tunabilityen av dess storlek och tecken. Dock, detta fenomen har inte observerats i dessa heterostrukturer tidigare.

"För att förverkliga denna spin-galvaniska effekt, vi utvecklade en speciell Hall-bar-liknande enhet av grafen-topologiska isolatorheterostrukturer, säger Dmitrij Chokhriakov.

Enheterna nanotillverkade i det toppmoderna renrummet vid MC2 och mättes vid Quantum Device Physics Laboratory. Det nya enhetskonceptet gjorde det möjligt för forskarna att utföra kompletterande mätningar i olika konfigurationer via spin switch och Hanle spin precession experiment, ger ett entydigt bevis på den spin-galvaniska effekten vid rumstemperatur.

"Dessutom, vi kunde demonstrera en stark inställningsförmåga och en teckenförändring av den galvaniska spinneffekten av grindens elektriska fält, vilket gör sådana heterostrukturer lovande för förverkligandet av helelektriska och grindavstämbara spintroniska enheter, " avslutar Saroj Prasad Dash.