Inom spintronik, elektronernas magnetiska moment (spin) används för att överföra och manipulera information. En ultrakompakt 2D-spin-logikkrets kan byggas av 2D-material som kan transportera spinninformationen över långa avstånd och även ge stark spin-polarisering av laddningsströmmen. Experiment av fysiker vid University of Groningen (Nederländerna) och Colombia University (USA) tyder på att magnetisk grafen kan vara det ultimata valet för dessa 2D spin-logikenheter eftersom det effektivt omvandlar laddning till spinnström och kan överföra denna starka spin-polarisation över långa avstånd. Denna upptäckt publicerades den 6 maj i Naturens nanoteknik .

Spintronic-enheter lovar snabba och energibesparande alternativ för den nuvarande elektroniken. Dessa enheter använder det magnetiska momentet hos elektroner så kallade spins ('upp' eller 'ner') för att överföra och lagra information. Den pågående nedskalningen av minnesteknik kräver allt mindre spintroniska enheter och därför söker man efter atomärt tunna material som aktivt kan generera stora spinnsignaler och överföra spinninformationen över mikrometerlånga avstånd.

Grafen

I över ett decennium, grafen har varit det mest fördelaktiga 2D-materialet för transport av spinninformation. Dock, grafen kan inte generera spinnström av sig själv om inte dess egenskaper modifieras på lämpligt sätt. Ett sätt att uppnå detta är att få det att fungera som ett magnetiskt material. Magnetismen skulle gynna passagen av en typ av spin och därmed skapa en obalans i antalet elektroner med spin-up kontra spin-down. I magnetisk grafen, detta skulle resultera i en mycket spinnpolariserad ström.

Denna idé hade nu experimentellt bekräftats av forskarna i Physics of Nanodevices-gruppen ledd av prof. Bart van Wees vid universitetet i Groningen, Zernike institutet för avancerade material. När de förde grafen i närheten av en 2D-skiktad antiferromagnet, CrSBr, de kunde direkt mäta en stor spin-polarisation av ström, genereras av magnetisk grafen.

Spin-logik

I konventionella grafenbaserade spintroniska enheter, ferromagnetiska (kobolt) elektroder används för att injicera och detektera spinsignalen till grafen. I kontrast, i kretsar byggda av magnetisk grafen, injektionen, transport och detektering av snurren kan allt göras av grafenen själv, förklarar Talieh Ghiasi, tidningens första författare. "Vi upptäcker en exceptionellt stor spin-polarisering av konduktiviteten på 14% i den magnetiska grafenen som också förväntas vara effektivt avstämbar av ett tvärgående elektriskt fält." Detta, tillsammans med de enastående laddnings- och spinntransportegenskaperna hos grafen möjliggör realisering av helt grafen 2D spin-logikkretsar där den magnetiska grafenen ensam kan injicera, transportera och detektera spinninformationen.

Dessutom, den oundvikliga värmeavledning som sker i alla elektroniska kretsar görs till en fördel i dessa spintroniska enheter. "Vi observerar att temperaturgradienten i det magnetiska grafenet på grund av Joule-uppvärmningen omvandlas till spinnström. Detta sker genom den spinnberoende Seebeck-effekten som också observeras i grafen för första gången i våra experiment, " säger Ghiasi. Den effektiva elektriska och termiska genereringen av spinnströmmar med magnetisk grafen lovar betydande framsteg både för 2D-spintronic och spin-caloritronic-teknologier.

Spinntransporten i grafen, vidare, är mycket känslig för det magnetiska beteendet hos det yttersta lagret av den angränsande antiferromagneten. Detta innebär att sådana spinntransportmätningar möjliggör avläsning av magnetiseringen av ett enda atomlager. Således, de magnetiska grafenbaserade enheterna tar inte bara upp de mest tekniskt relevanta aspekterna av magnetism i grafen för 2D-minnet och sensoriska system utan ger också ytterligare insikt i magnetismens fysik.

De framtida konsekvenserna av dessa resultat kommer att undersökas inom ramen för EU:s flaggskeppsgrafen, som arbetar mot nya tillämpningar av grafen och 2D-material.