Med moderna elektroniska enheter närmar sig gränserna för Moores lag och den pågående utmaningen med effektförlust i design av integrerade kretsar, finns det ett behov av att utforska alternativa teknologier bortom traditionell elektronik. Spintronics representerar ett sådant tillvägagångssätt som skulle kunna lösa dessa problem och erbjuda potentialen för att realisera enheter med lägre effekt.
Ett samarbete mellan forskargrupper ledda av professor Barbaros Özyilmaz och biträdande professor Ahmet Avsar, båda knutna till institutionen för fysik och institutionen för materialvetenskap och teknik vid National University of Singapore (NUS), har uppnått ett betydande genombrott genom att upptäcka det mycket anisotropisk spinntransport av tvådimensionell svart fosfor.
Resultaten har publicerats i Nature Materials .
I motsats till den konventionella laddningsrörelsen i elektroniska enheter fokuserar spintronics på banbrytande enheter som manipulerar elektronernas inneboende egenskaper som kallas "spin". I likhet med laddningar i elektroner ger spinn elektroner en rotationskvalitet som att de roterar runt en axel, vilket gör att de beter sig som små magneter, som har både en storlek och en riktning.
Elektronspinnet kan existera i ett av två tillstånd, kallat spinn "uppåt" eller spinn "nedåt". Detta är analogt med rotation medurs eller moturs.
Medan traditionella elektroniska enheter fungerar genom att flytta laddningar runt kretsen, fungerar spintronics genom att manipulera elektronspinningen. Detta är viktigt eftersom att flytta elektriska laddningar runt traditionella elektriska kretsar nödvändigtvis gör att en del kraft går förlorad som värme, medan spinns rörelse inte avleder så mycket värme. Denna egenskap kan möjligen möjliggöra enhetsdrift med lägre effekt.
Forskare är särskilt intresserade av att använda material vid den atomärt tunna gränsen för att undersöka egenskaperna hos spinn-"kanaler", som är som trådar som kan underlätta transporten av spinn.
Prof Özyilmaz betonade vikten av materialval i spintronics-enheter och sa:"Att välja rätt material är av största vikt inom spintronics. Högpresterande och funktionella spinnkanalmaterial är ryggraden i spintronics-enheter, vilket gör att vi kan manipulera och kontrollera spinn för olika applikationer."
Svart fosfor är ett sådant framväxande material som får uppmärksamhet för sina gynnsamma spintroniska egenskaper. Svart fosfor har en unik rynkig kristallstruktur och detta betyder att beteendet hos dess spinn också beror på deras riktning.
Prof Avsar sa, "Svart fosfor visar upp mycket anisotropisk spinntransport, som avviker från det normala isotropiska beteendet som ses i konventionella spinnkanalmaterial. Dess kristallstruktur ger riktningsegenskaper till spinntransporten, vilket erbjuder nya möjligheter för att kontrollera spintronikenheter."
Forskarna tillverkade ultratunna svartfosforbaserade spinnventiler, inkapslade mellan hexagonala bornitridskikt. Spintransportanisotropin studerades genom att injicera spinn i den svarta fosforn i ena änden av enheten och mäta spinsignalen i den andra änden genom att ändra riktningen på spinnströmmen.
Mätningar utfördes samtidigt som man applicerade ett starkt magnetfält vinkelrätt mot det svarta fosforskiktet och jämförde det med de när ett svagt magnetfält appliceras.
Forskarna observerade att appliceringen av ett starkt magnetfält resulterade i en stor ökning av spinsignalen. Denna effekt uppstår från den rynkiga kristallstrukturen, eftersom det starka magnetfältet tvingar spinnen att peka ut ur materialets plan, vilket förändrar deras interaktion med omgivningen och ökar deras livslängd med en faktor sex.
Denna studie avslöjar också att ultratunn svart fosfor uppvisar elektriskt inställbara nanosekunders spin-livslängder med hjälp av en back-gate. Den exceptionella spinnanisotropin, i kombination med förmågan att elektriskt modulera spinntransport, gör det möjligt att skapa nya enheter som inte enbart styrs av det binära spinntillståndet (upp eller ner) utan också utnyttjar spinnanisotropi för att uppnå riktningskontroll.
Detta positionerar svart fosfor som en unik plattform för överlägsen manipulation av snurr – ett avgörande framsteg inom spintronikens område.
Mer information: Luke Cording et al, Mycket anisotropisk spinntransport i ultratunn svart fosfor, Naturmaterial (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01779-8
Journalinformation: Naturmaterial
Tillhandahålls av National University of Singapore
